DE2437829A1 - Frequenzdiskriminator - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE ' ; ;

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS' BERNHARDT

D-8 München 60 · Orthstraße 12 · Telefon (089) 832024/5 2437829

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

6/198

Fujitsu limited

ITo. 1015, Kam iko danaka Nakahara-ku, Kawasaki Japan ■

Frequenzdiskriminator

Priorität: 9. August 1973 Japan 48-089492

Zusammenfassung

In einer Diskriminatorschaltung sind Mischeinrichtungen vorgesehen, an die ein zu diskriminierendes Signal mit der Frequenz f1 und ein Bezugssignal mit der Frequenz f2 angelegt werden, wobei eines der beiden Schwebungsfrequenz-Ausgangssignale als Bezugssignal betrachtet wird,. Die Phase des anderen Schwebungsfrequenz-Ausgangssignals steht in rechtwinkliger Beziehung zu der Phase des Bezugssignals. Zusätzlich werden zwei reversible Schwebungsfrequenzsignale ea und eb entsprechend dem Frequenzbeziehungen f1 £. f2 oder f1 > f2 abgegeben. Der Phasendiskriminator weist zwei Ausgangsanschlüsse auf und gibt ein Wechselstromsignal auf der Basis der Frequenz des Schwebungsfrequenzsignals zu einem der beiden Anschlüsse in Übereinstimmung mit der Voreilung oder Verzögerung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegen die Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals ab. Die beiden Schwebungsfrequenzsignale ea und eb werden Jeweils in ein zweipegeliges Signal in Abhängigkeit von ihren vorbestimmten Pegeln codiert. In dem Phasendiskriminator ist ein Speicherkreis vorgesehen, der die vorbestimmten Pegel der beiden Schwebungsfrequenzsignale einer bestimmten 1/4-Periode während eines Zyklus

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speichert, wodurch der Betrag der Voreilung oder Verzögerung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegen die
Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals aus dem Ausgangssignal des Speicherkreises und wenigstens einem
Schwebungsfrequenzsignalpegel bestimmt werden kann.

Die Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator, insbesondere einen Frequenzdiskriminator für eine Anordnung zur automatischen Frequenzsteuerung (nachfolgend mit
AI¹C bezeichnet), der einen großen Frequenzbereich von
einer niedrigen Frequenz bis zu einer ultrahohen Frequenz überdecken kann.

Verschiedene Arten von Frequenzdiskriminatoren sind z.B. für die AFC bisher entwickelt worden, um die Frequenz
von selbsterregten Oszillatoren zu stabiliseren. Insbesondere ist ein einfaches Verfahren (Methode I) unter Ausnutzung der Resonanzkennlinie, die aus der Kombination
einer Spule und eines Kondensators erhalten wird, bekannt. Des weiteren ist ein zweites Verfahren (Methode II) entwickelt und in der Praxis angewendet worden, bei dem die Frequenzdifferenz zwischen der Bezugsfrequenz und einem zu diskriminierenden Signal bestimmt wird, die abwechselnd
dem Frequenzdiskriminator, der nicht eine hohe Genauigkeit aufweisen muß, durch einen Schaltkreis zugeführt werden, der durch ein adäquates Rechteckwellensignal .betätigt wird, wobei kein Ausgangssignal auftritt, wenn die
Frequenz gleich ist, während ein Rechteckwellenausgangssignal auftritt, wenn Frequenzdifferenzen bestimmt worden sind. Das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators kann darüber hinaus erhalten werden, indem eine synchrone Bestimmung mit dem Rechteckwellensignal unter Ausnutzung der Tatsache ausgeführt wird, daß die Phase des Rechteckwellenausgangssignals entsprechend den Ergebnissen des Vergleichs (niedriger oder höher) des zu diskriminierenden Signals
mit dem Bezugsfrequenzsignal umgekehrt wird.

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Des weiteren ist ein drittes Verfahren (Methode III, nachfolgend mit Frequenzdiskriminator mit Schwebungspolaritätsdiskriminierung bezeichnet) zum Zwecke der Erzeugung eines Frequenzdiskriminierausgangssignals einer Hachrichtenübertragungsanordnung bekannt geworden, bei dem ein bekanntes Bezugsfrequenzsignal (Frequenz f2) und ein zu diskriminierendes Signal (Frequenz f1) der aus zwei Modulatoreinheiten und einem 90°-Phasenschieber bestehenden Schaltung zugeführt werden, wobei zwei Schwebungsfrequenzsignale, deren Phasenbeziehung sich entsprechend dem Frequenzverhältnis zwischen f1 und f2 ändert, als Ausgangssignal abgenommen werden· Ein Impulssignal mit einer konstanten Impulsbreite wird gebildet, indem die Änderungen der Amplitude des einen Schwebungsfre-

quenzsignals bestimmt werden, und dann wird dieses Impulssignal und das andere Schwebungsfrequenzsignal einem Torkreispaar zugeführt, wodurch das Frequenzdiskriminator-Ausgangssignal erhalten werden kann, indem identifiziert wird, ob sich die Schwebungsfrequenz aus f1 - f2 oder aus f2 - f1 ergibt.

Im Falle der oben erwähnten Methode I ist es sehr schwierig, ein sehr genaues Ausgangssignal aufgrund der thermischen Änderungen der LC-Konstante und der Alterungseigenschaften zu erhalten. Im Falle der Methode II sind verschiedene Nachteile vorhanden, nämlich daß ein Schaltkreis erforderlich ist, daß das Signal bestrebt ist, die Einflüsse des Schaltrauschens aufzunehmen, da ein Rechteckwellensignal verwendet wird, und daß ein Fehler in dem diskriminierten Signal aufgrund der Wellenformverzerrung auftreten kann. Diese Methoden sind deshalb schwierig in die Praxis umzusetzen, auch wenn sie ihren Prinzipien nach sehr gut sind.

Auch bei der Methode III ist es notwendig, die Impulsbreite zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Frequenzdiskriminierung zu vergrößern, da das G-leichstromausgangssignal entsprechend der Dichte der zu diskriminierenden Impulse abgenommen wird. Andererseits hat diese Methode den Torteil, daß es

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ORlOiNAL INSPECTED

im wesentlichen schwierig ist, einen großen Frequenzbereich mit hoher Empfindlichkeit zu erhalten, es sei denn, daß die Methode wesentlich verbessert wird, da die Frequenzbandbreite der diskriminierten Frequenz im umgekehrten Verhältnis zur Impulsbreite steht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Methoden zu beseitigen, und zwar insbesondere in bezug auf die dritte Methode. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen sehr empfindlichen Frequenzdiskriminator mit großem Bereich zu schaffen, indem das Arbeitsprinzip der wichtigeren Teile eingeführt wird, das sich von dem Arbeitsprinzip der bekannten Methoden stark unterscheidet.

Der Frequenzdiskriminator nach der Erfindung sieht eine Mischeinrichtung vor, an die ein Signal mit der zu diskriminierenden Frequenz f1 und ein Bezugssignal mit der Frequenz f2 angelegt werden, wobei eines der beiden Schwebungsfrequenz-Ausgangssignale als Bezugssignal betrachtet wird. Die Phase des anderen Schwebungsfrequenz-Ausgangssignals steht dabei immer in rechtwinkliger Beziehung zu der Phase des Bezugssignals. Zusätzlich werden zwei reversible Schwebungsfrequenzsignale ea und eb entsprechend den Frequenzbeziehungen f1< f2 oder f1 "7 f2 abgegeben. Der Phasendiskriminator hat zwei Ausgangsanschlüsse und gibt ein Wechselstromsignal auf der Grundlage der Frequenz des Schwebungsfrequenzsignals an einen der beiden Anschlüsse entsprechend der Voreilung oder Verzögerung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegenüber der Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals. Charakteristisch ist dabei, daß die beiden Schwebungsfrequenzsignale

ea und eb jeweils in ein zweipegeliges Signal in Abhängigkeit von ihren vorbestimmten Pegeln codiert werden. In dem Phasendiskriminator ist ein Speicherkreis vorgesehen, der die vorbestimmten Pegel der beiden Schwebungsfrequenzsignale einer bestimmten 1/4-Periode während eines Zyklus

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speichert, wodurch der Betrag der Voreilung oder Verzögerung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegen die Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals aus dem Ausgangssignal des Speicherkreises und aus wenigstens einem Schwebungsfrequenzsignalpegel bestimmt werden kann.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand¹ der Zeichnung beschrieben, in der sind

Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Erläutern der Wirkungsweise des Frequenzdiskriminators der Erfindung,

Pig. 2, 3 und 4 Blockschaltbilder von Beispielen des Aufbaus der Mischeinrichtung 1 in Fig. 1,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Schwebungsfrequenzsignale ea und eb,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform des Phasenidentifizierkreises 2 in Fig. 1,

Fig. 7(a) eine Darstellung eines Beispiels des Aufbaus des Phasenidentifizierkreises 2OA in Fig. 6,

Fig. 7(b) ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise des Kreises der Fig. 7(a),

Fig. 8(a) eine Darstellung eines Aufbaus einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Phasenidentifizierkreises 2 in Fig. 1,

Fig. 8(b) ein Zeitdiagramm zum Erläutern der Arbeitsweise des Kreises der Fig. 8(a),

Fig. 9 ein Schaltbild der Ausführungsform des Frequenzdiskriminators nach der Erfindung, der zur Verwendung bei einem AFC-Kreis dient, und

Fig.10 eine Frequenzdiskriminierkennlinie der Ausführungsform der Fig. 9.

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Fig. 1 iat ein Blockschaltbild zum Erläutern der Vorgänge, die der Erfindung und der bekannten Methode III gemeinsam sind. In dieser Pig. bezeichnen T1 den Eingangsanschluß eines Signals el der zu diskriminierenden Fre'quenz f 1, T2 den Eingangsanschluß des Bezugssignals e2 der Frequenz f2, 1 die Mischeinrichtung, 2 den Phasenidentifizierkreis und T3 und T4 jeweils die Frequenzdiskriminierausgangsanschlüsse.

Die als Ausgangssignale der Mischeinrichtung 1 erhaltenen Signale ea und eb sind die Schwebungsfrequenzsignale von el (Frequenz f1) und e2 (Frequenz f2). Wenn die Phase von ea als Bezugsphase betrachtet wird, ist die Phase von eb immer in rechtwinkliger Beziehung zur Bezugsphase und ihre Polarität ist entsprechend der Beziehung der beiden Frequenzen, d.h. f1 < f2 und f1 > f2, umgekehrt.

Wenn die Phase von eb als Bezugsphase betrachtet wird, ist zusätzlich die Phase ea immer in rechtwinkliger Beziehung zu der anderen Phase und auch ihre Polarität ist entsprechend der Frequenzbeziehung, d.h. f1 "> f 2 und f1 < f2, umgekehrt.

Die Mischeinrichtung 1 ist deshalb z.B. so aufgebaut, daß zwei Modulatoren vorgesehen sind, und die Eingangssignale el und e2 sind direkt an einen Modulator angelegt, während dem anderen Modulator die Signale zugeführt werden, die in ihren Phasen jeweils um 90° von den Eingängen el und e2 verschoben sind. Das Schwebungsfrequenzsignal ea und ein weiteres Schwebungsfrequenzsignal eb, das sich immer in rechtwinkliger Beziehung zu ea bezüglich ihrer Phasen befindet, können dann von den jeweiligen Modulatoren erhalten werden.

In Fig. 2 bezeichnen 1A und 1B Zweigkreise, 10 einen Phasenschieber unter Verwendung z.B. einer Verzögerungsleitung und 1D und 1E Modulatoren. Gemäß dieser Figur wird das Eingangssignal el (Freqeunz f 1) in zwei (nicht immer gleiche) Signale in dem Zweigkreis 1A aufgeteilt und diese Signale werden jeweils zu den Modulatoren 1D und 1E

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gesandt. Andererseits wird das Eingangssignal e2 (Frequenz £2) in zwei (nicht immer gleiche) Signale in dem Zweigkreis 1B aufgeteilt und diese Signale werden jeweils zu den Modu- . latoren 1E und 1G gesandt. Des weiteren wird das Ausgangssignal des Phasenschiebers 1C zu dem Modulator 1D gesandt.

Von den Modulatoren 1D und IE können Ausgangsschwebungsfrequenzsignale ea und eb der Eingangssignale el (Frequenz f 1). und e2 (Frequenz f2) erhalten werden und die Phase des einen Signals ist entsprechend der Beziehung der Fre- " quenzen, d.h. £ 1 4. fZ und f1 > f2, umgekehrt, weixn. die Phase des anderen Signals als Bezugssignal betrachtet wird, indem die Eingangssignale el und e2 in einer entsprechenden Phasenbeziehung gehalten werden.

. »· Das Halten der Eingangssignale el und e2 in einer adäquaten Phasenbeziehung bedeutet, daß die Phasendifferenz zwischen Θ1, das als Phasendifferenz zwischen den Signalen el in den beiden Modulatoren 1D und 1E angenommen wird, und Θ2, das als die Phasendifferenz zwischen den Signalen e2 in den beiden Modulatoren 1D und 1E in Fig. 2 angenommen wird, ungefähr 90° wird.

Wenn der Phasenschieber 1C in Fig. 2 nicht vorgesehen würde, ist es sehr wirtschaftlich und wirkungsvoll» als Alternative dieses Phasenschiebers 10 eine Koaxialleitung mit der effektiven Länge von Λ-/4 (Λ-: Wellenlänge) für das Signal e2 mit einem geeigneten Wellenwiderstand unter der Voraussetzung zu verwenden, daß die Phasenverzögerung, welche den Zweigkreis 1A,den Modulator 1D, den Zweigkreis 1D und den Modulator IE einschließt., gleich der Phasenverzögerung wird, die den Zweigkreis 1B, den Modulator 1D, den Zweigkreis 1B und den Modulator 1E einschließt.

Die Phasenbeziehung zwischen den Signalen el und e2 kann leicht ausgeführt werden, indem ein 90°-Verschiebungs-Hybridsignal-Koppelkreis 1F, wie er in Fig. 3 gezeigt ist,

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-8 - ■..■ .

falls die Signale eine Frequenz im UHF-Band haben, oder ein geeigneter Zweigkreis mit gleicher oder entgegengesetzter Phase verwendet wird.

Wenn die Eingangssignale el und e2 von niedrigen Frequenzen bis etwa 100 MHz überdecken können, ist es darüber hinaus auch möglich, eines der Eingangssignale el oder e2 an die Modulatoren 1D und 1E anzulegen, nachdem dieses mittels einer geeigneten Induktivität L und einem Kondensator C verzweigt worden ist, um die obige Phasenbeziehung zu erhalten.

In diesem Falle ist es besser, daß die Eingangsimpedanz der Modulatoren 1D und 1E in Fig. 4 durch den reinen Widerstandswert gegeben ist. Wenn der reine Widerstand R ist, kann die optimale Phasenbeziehung nur erhalten werden, wenn L, C und R die folgende Beziehung haben:

R -^₀I = i/A/_eC_f
worin 4>_c die Winkelfrequenz des betreffende Signals ist.

Allgemein gesprochen ist aus praktischen Gesichtspunkten keine scharfe Beschränkung erforderlich.

Vorstehend wurde der beispielhafte Aufbau in der Mischeinrichtung 1 in Fig. 1 unter Verwendung der Fig. 2, 5 und 4 beschrieben. Soweit es die Modulatoren 1D und 1E in dieser Figur betrifft, handelt es sich um einen Amplitudenmodulator unter Verwendung nichtlinearer Bauteile, wie eines Trans is tois oder einer Diode. Dieser kann z.B. durch eine abgeglichene Mischeinrichtung oder eine doppelt abgeglichene Mischeinrichtung (Ringmodulator) ersetzt werden.

Die nachfolgenden Gleichungen drücken die Schwebungsfrequenzsignale ea und eb aus, die als Ausgangssignale der Mischeinrichtung 1 in Fig. 1 erhalten werden können, und die in Fig. 5 dargestellt sind.

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ea = Ea cos co t (1)

eb a Eb cos(^t+11/2) = Eb sin« t (2)

eb = Eb sin(wt+iO = Eb sin wt (2»),

worin sind Ea, Eb = maximale Amplituden von ea und eb, LO = Scb.webungsfreq.uenz (If1 - f2|), ausgedrückt

als Winkelfrequenz, weshalb gilt ω = 2 Tl(IfI - f2 I) und t = Zeit.

Die obigen Gleichungen (1), (2) und (2^f) werden entwickelt, wobei berücksichtigt wird, daß das Signal ea das Bezugssignal ist und daß die Gleichung (2) den Pail f1 < f2 zeigt und die Gleichung (2¹) den EaIl f1 > f2 zeigt. Die Gleichungen (2) und (2¹) entsprechen jeweils den ausgezogenen und gestrichelten Linien in Fig. 5. Es folgt die Erläuterung, warum die Schwebungsfrequenzsignale ea und eb z.B. als die Gleichungen (1) und (2) dargestellt werden können.

Die Eingangssignale el und e2 zu der Mischeinrichtung 1 werden jeweils wie folgt angenommen:

el s E sin.Q 1 t (3)

e2 = E ΒΐηΛ 2 t (4),

worin gilt jQ 1 = 2 7[ f 1 und JCl 2 = 2 7£f2 und wobei E die maximale Signalamplitude ist und wobei zur Vereinfachung der Erläuterung angenommen wird, daß beide Signale dieselbe Amplitude haben. Zusätzlich werden die Anfangsphasenwinkel der beiden Signale zur Vereinfachung der Erläuterung Null gemacht. Wenn diese nicht Null sind, ändert sich tatsächlich auch nicht das Ergebnis.

In den Modulatoren 1D und 1E der Mischeinrichtung 1 wird das Signal el = E sin-Q.1 t z.B. jeweils durch die Signale e2 = E sin -Q 2 t und e2« = E sin (D. 2t +ΐ/2) = Ecosil 2t amplitudenmoduliert, wobei das letztere Signal durch

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Verschieben der Phase von e2 um 90° erhalten wird. Deshalb kann die folgende Gleichung erhalten werden.

Wenn ea¹ als Modulationssignal in dem Modulator 1D angenommen wird, gilt

ea¹ = E(1+ siniI2t) sin-O 1t = el + E sin A 2t sin_O. 1t = el + I cos (jQ 2-.Ω )t - Ir cos ( Xl 1 + D. 2)t (5)

Der zweite Ausdruck der Gleichung (5) bedeutet die Frequenzdifferenz zwischen f1 und f2 der Eingangssignale et und e2, nämlich die Schwebungsfrequenzsignalkomponente. Der dritte Ausdruck bedeutet die Summe der Frequenzen f1 und f2 und ist eine hier unerwünschte Welle wie im Pall des ersten Ausdrucks.

Wenn das Signal ea¹ ein !Tiefpaßfilter mit entsprechender Grenzfrequenz passiert, kann deshalb das Signal ea, das durch die Gleichung (6) ausgedrückt wird, in folgender Weise erhalten werden:

ea = |r cos (A 2 - Ω. 1 )t = τ| cos co t (6)

In gleicher Weise kann das Signal eb¹, das wie vorstehend angegeben ausgedrückt wird, als Modulationssignal in dem Modulator 1E erhalten werden:

eb^f = E(1 +cos Λ 2t) sin Π 1t

= el + E cosH 2 t sinn 1 t

= el + I sin (Π 1 + .Q2)t - | sin(/l 2 -£li)t

= el + § sin (jQ. 1 +ß2)t + | cos ((/12-/Π )t+Tt/2*} (7)

Wenn dieses Signal an das Tiefpaßfilter entsprechend der Grenzfrequenz angelegt wird, kann auch die Gleichung (8) als Signal eb erhalten werden.

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eb = I cos [(Λ 2 -JH )t + = § cos (wt + ]£

- 11 -

cos (Lot + ψ-)

= I sin Wt (8),

worin gilt CJ=Xl 2-111 = 2*n:(f2. - f 1), ( f2>f1).

Wenn gilt E/2 = Ea = Eb, können die Gleichungen (1) und (2) aus den Gleichungen (6) und (8) erhalten werden.

In derselben Weise kann die Gleichung (2¹) im Falle von f 1 > f 2 erhalten werden, ;jedoch wird dies hier weggelassen.

Wenn la durch eb in den Gleichungen (1), (2) und (2¹) ersetzt wird, kann dasselbe Ergebnis erhalten werden.

In der folgenden Erläuterung wird die Voreilung und Hacheilung der Phase von eb immer unter Berücksichtigung der Phase von ea als Bezugsphase erörtert und gleichzeitig werden ea als Torsignal und eb als Diskriminiersignal bezeichnet.

Wie sich aus Fig. 5 ergibt,eilt das Diskriminiersignal eb gegenüber dem Torsignal ea in seiner Phase um 90° im Falle von f1 < f2 nach und eilt um 90° im Falle von f 1 /· f2 vor. Wenn das Diskriminiersignal eb gegenüber dem Torsignal ea in seiner Phase um" 90° im Falle von f1 < f 2 nacheilt, eilt das Torsignal um 90° im Falle £1 > £2 vor..

Der Phasendiskriminator 2 in Fig. 1 bestimmt die'Uacheilung oder Voreilung der Phase des Diskriminiersignals eb gegenüber dem Torsignal ea und gibt das Wechselstromausgangssignal auf der Grundlage der Schwebungsfrequenz zu dem Ausgangsanschluß T3, wenn eine Nacheilung der Phase aufgefunden wird, oder nur zu dem Ausgangsanschluß T4, wenn eine Voreilung der Phase aufgefunden wird. Die Frequenzdiskriminierung kann deshalb für die AFC-Funktion ausgeführt werden, indem das Wechselstromausgangssignal an verschiedene Kreise angelegt wird.

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Das Arbeitsprinzip des Phasendiskriminators der Erfindung ist jedoch vollständig verschieden von der oben erwähnten Methode III, indem der Amplitudenübergang des einen Schwebungsfrequenzsignals bestimmt wird, ein Impulssignal mit konstanter Impulsbreite gebildet werden kann und dieses Impulssignal und das andere Schwebungsfrequenzsignal an zwei Torkreise angelegt werden, worauf unterschieden werden kann, ob das Schwebungsfrequenzsignal von f1 - f2 oder f2 - f1 kommt.

In dem Zeitdiagramm der Fig. 5 ist nämlich eine Periode jedes Torsignals ea und des Diskriminiersignals eb jeweils in vier Abschnitte ti, t2, t3 und t4 aufgeteilt und der Wert jeder Viertelperiode jedes Signals wird zu zwei Pegeln, d.h. "1" oder "0", in Abhängigkeit davon ausgewertet, ob er höher oder niedriger als der Schwellwertpegel TH ist.

Deshalb kann die folgende Kombination des Torsignals ea und Diskriminiersignals eb entsprechend dem Zustand des Signals eb erhalten werden.

1) Im Falle, in dem eb durch die ausgezogene Linie gegeben ist (Nacheilung):

1 0 0iT,f|ö'|0 110 0 1

1 1 o Jo M rijO 0 110 0

2) Im Falle, in dem eb durch die gestrichelte Linie gegeben ist (Voreilung):

1 0 !o!i" 1 ¹O 0 1 1 0 0 1
0 0 jijij 0,0 1 1 0 0 1 1

Wenn die Kombination "1, 1" berücksichtigt wird, wo ea "1" ist und eb "1" ist» wird die Kombination der Pegel in dem vorangehenden Punkt und in dem nachfolgenden Punkt jeweils als »1, 0" "0, 1" —» "0, 1» »1, 0" entsprechend den obigen Fällen 1) und 2) umgekehrt.

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Die voreilende oder nacheilende Phase kann somit durch Speichern des vorher bestimmten Pegelzustandes ("1, 1" bei der Ausführungsform der Erfindung) der beiden Schwebungsfrequenzsignale in einer Viertelperiode und durch einen resultierenden Pegel wenigstens eines Schwebungsfrequenzsignals, wobei dieser sich in gewissem Umfange gegenüber dem voranstehenden Pegel ändert, unterschieden werden.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß ein Speicherkreis in dem Phasendiskriminierkreis unter Verwendung dieses Prinzips vorgesehen wird.

Das Wesen der Erfindung wird nachfolgend erläutert.

Fig. -6 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform des Phasendiskriminierkreises 2 der Erfindung. IFV bezeichnet einen Inverter und 2OA und 2OB bezeichnen Phasendiskriminierkreise, wie angegeben.

Wenn die beiden Signale derselben Frequenz, wie ea und eb, dem Phasendiskriminierkreis 2OA zugeführt werden, gibt dieser ein Wechselstromsignal (im allgemeinen eineRechteckwelle) mit derselben Frequenz wie das Eingangssignal an den Ausgangsanschluß T 4 nur dann ab, wenn die Phase eines Signals der Phase des anderen Signals voreilt (oder wenn sie nacheilt).

Der Phasendiskriminierkreis 2OB gibt ein Wechselstromsignal mit der Frequenz auf der Grundlage der Frequenz des Schwebungsfrequenzsignals an den Ausgangsanschluß T3 nur dann ab, wenn eine Phase gegenüber der anderen Phase nacheilt (oder voreilt), da das Signal eb über den Inverter INV angelegt wird. Die Bestimmungsmethode einer solchen Voreilung und Nacheilung der Phase kann durch das Prinzip nach der Erfindung ausgeführt werden.

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T5 und Τ4 in Pig. 6 entsprechen 13 und T4 in Pig. 1.Der durch die gestrichelte Linie eingeschlossene Kreis 22, der die Signale ea und eb an jeden Phasendiskriminierkreis 2OA und 2OB gibt, wird zur Vereinfachung der nachfolgenden Erläuterung als Torkreis bezeichnet.

Pig. 7(a) zeigt ein Beispiel des Phasendiskriminierkreises 2OA in Pig. 6, das als digitale Kreiskomponente ein NAND-Tor verwendet.

In Pig. 7(a) ist der durch die gestrichelte Linie eingeschlossene Kreis 21A ein Eingangstorkreis, wärend 21B ein Speicherkreis ist und 21C ein Ausgangstorkreis ist.

Hier kann der Phasendiskriminierkreis 2OB in genau derselben Weise gebildet werden und der einzige Unterschied besteht darin, daß das Signal eb als Eingangssignal über den Inverter INV des Torkreises 22 angelegt wird.

Zu dieser Zeit sollen die Eingangsschwebungsfrequenzsignale ea und eb einen Pegel haben, der ausreichend ist, um den Antrieb der digitalen Kreise jedes Eingangstorkreises 21A und Ausgangstors 210 anzutreiben, und es sollen keine Pegel außer dem einen Pegel, der höher als der Eingangsschwellwertpegel ist und mit "1" angenommen wird, und als der andere Pegel vorhanden sein, der niedriger als der Schwellpertpegel ist und mit "0" angenommen wird. Mit anderen Worten werden sowohl ea als auch eb in Zweipegelsignale decodiert.

Die Arbeitsvorgänge des Phasendiskriminierkreises in Pig. 7(a) sind in dem Zeitdiagramm der Pig. 7(b) gezeigt. Die linke Seite (I) zeigt das Zeitdiagramm, bei dem eb in seiner Phase nacheilt, und (II) zeigt den Pail, wenn eb voreilt. Jeder Punkt (Buchstabe) in Pig. 7(a) entspricht der Wellenform in Pig. 7(b). Die Vorgänge können in folgender Weise zusammengefaßt werden. Der Eingangstorkreis 21A unterscheidet, ob das Diskriminiereignal eb "1" oder "O"

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während der vorbestimmten Periode der Phase des Torsignals 4a ist, wobei das Ergebnis der Voreilung oder Nacheilung der Phase entspricht, und zwar entspricht in diesem Falle "1" der Nacheilung und "0" der Voreilung. In diesem Falle schließt eine Viertelperiode ti vor dem Torsignal ea aus, daß "0" aus "1" wird. Wenn das Signal als "1" diskriminiert wird, wobei das obere NAND-Tor des Eingangstorkreises 21A arbeitet, wird der Zustand, der Q "1" und Zj "0" macht, in dem Speicherkreis 21B-gespeichert, während der Zustand, der Q "0" und Q "-1" macht, gespeichert wird, wenn das Signal als "Ö" diskriminiert wird, wobei das untere NAND-Tor des Eingangstorkreises 21A arbeitet.

Zu diesem Zwecke kann das Rechteckwellenausgangssignal mit derselben Periode wie das Torsignal ea am Ausgangsanschluß T5 erhalten werden, da der Ausgangstörkreis 210 nur arbeitet, während das Torsignal ea "0" ist, wodurch der Zustand am Ausgangsanschluß T5 "0" nur dann gemacht wird, wenn "1" in <3 gespeichert ist, d.h. die voreilende Phase wird diskriminiert.

Mit anderen Worten ist der Phasendiskriminierkreis in Pig. 7(a) unter Verwendung von logischen Kreisen so aufgebaut, daß das Torsignal ea festgehalten wird und daß das Wechselstromausgangssignal an dem Anschluß T5 auftritt, wenn das Diskriminiersignal eb "0" während der vorbestimmten Viertelperiode ist, d.h. in diesem Falle ti, während der konstante Ausgangspegel auftritt, wenn das Signal eb "1" ist (nicht das Wechselstromausgangssignal). Der Phasendiskriminierkreis nach der Erfindung ist ;jedoch nicht auf die Ausführungsform der Fig. 7(a) beschränkt und die Kombination des logischen Tores kann selbstverständlich in irgendeiner Weise geändert werden, indem eines der Viertel ti bis t4 zum Bezug gemacht wird. Andere Arten des Phasendiskriminierkreises können gebildet werden, indem die Kombination der logischen Tore geändert wird, auch wenn eb zur Verwendung als Torsignal festgehalten ist.

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Zusätzlich kann der oben erwähnte Frequenzdiskriminierkreis mit Schwebungspolaritätdiskriminierung unter Verwendung des Phasendiskriminierkreises in Fig. 7(a) in die Kreise 2OA und 2OB in Pig. 6 und den Phasendiskriminierkreis in Pig. 8(a) gebildet v/erden, wodurch gegenüber der Ausführungsform in Pig. 1 eine verbesserte Version aus der Ausführungsform in Pig. 7(a) erhalten wird.

Die Kreise 21A und 21B in Pig. 8(a) entsprechen jeweils dem Eingangstorkreis und dem Speicher in Pig. 7(a). In diesem Kreis ist 21D der Ausgangstorkreis. T3 und T4 sind Ausgangsanschlüsse. Der Unterschied zwischen Pig. 8(a) und Pig. 7(a) besteht darin, daß der Ausgangstorkreis 210 in Pig. 7(a) aus einem Inverter und einem NAFD-Tor zusammengesetzt ist und einen Ausgangsanschluß T5 aufweist, während der Kreis 21D in Pig. 8(a) aus einem Inverter, zwei NAND-Toren und Toren G3 und G4 zusammengesetzt ist und zwei Ausgangsanschlüsse T3 und T4 aufweist.

Pig. 8(b) zeigt das Zeitdiagramm der Arbeitsvorgänge der Schaltung in Pig. 8(a) und die Wellenform ;jedes Punktes ist unter Verwendung entsprechender Buchstaben wie im Falle der Pig. 7(b) dargestellt. Die Wellenformen auf der linken Seite (I) zeigen die nacheilende Phase und die Wellenformen auf der rechten Seite (II) zeigen die ■voreilende Phase.

Der Kreis in Pig..8(a) enthält den Eingangstorkreis 21A und den Speicher 21B, da der Eingangstorkreis 21A und der Speicher 21B in Pig. 7(a) in genau' der umgekehrten Weise arbeiten, wenn die voreilende Phase des Diskriminiersignals eb unterschieden wird und wenn die nacheilende Phase unterschieden wird. Dadurch unterscheidet der Kreis in Pig. 8(a) sowohl die voreilende als auch die nacheilende Phase des Diskriminisignals eb und gibt das Rechteckwellensignal mit derselben Periode wie das Eingangsschwebungsfrequenzsignal nur an den Anschluß T3 im Palle einer

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voreilenden Phase oder an den Anschluß T4 im Falle einer nacheilenden Phase, wodurch der Frequenzdiskriminierkreis mit Schwebungspolaritätsdiskriminierung gebildet werden

Fig. 9 zeigt ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Frequenzdiskriminierkreises, der bei einem AFC-Kreis verwendet werden soll.

In Fig. 9 bezeichnen 01 bis C9 Kondensatoren, R1 bis R12 Widerstände, N1 und N2 Transformatoren, L1 eine Drosselspule und D1 und D2 Dioden.

Gemäß Fig. 9 gibt die Mischeinrichtung 1 das zu diskriminierende Signal el (Frequenz f1) und das Bezugsfrequenzsignal e2

(Frequenz f2) jeweils an die Eingangaanschlüsse Ti und T2. Das zu diskriminierende Signal e"T wird an den Eingangsanschluß 1 z.B. über einen Pufferverstärker angelegt. Das Bezugsfrequenzsignal e2 wird an den Eingangsanschluß T2 als Schwingungsausgangssignal von einem Bezugssignaloszillator, wie einem kristallgesteuerten Oszillator, angelegt.

Die Mischeinrichtung 1 besteht aus zwei Einheiten von abgeglichenen Mischeinrichtungen 1D und 1E. Der abgeglichene Modulator 1D besteht aus dem Transformator Fl, den Widerständen R1, R3, R4 und R7, dem Kondensator 03 und dem Differentialverstärker IC1, während die abgeglichene Mischeinrichtung 1E aus dem Transformator N2, den Widerständen R2, R5, R6 und R8, dem Kondensator 04. und dem Differentialverstärker IC2 besteht. In den abgeglichenen Mischeinrichtungen 1D und 1E sind die Kondensatoren 03 und 04 tjberbrückungskondensatoren, die Widerstände R3 bis R6 Widerstände zum Erzeugen einer Vorspannung und die Widerstände R7 und R8 Impedanzanpassungswiderstände für die Transformatoren N1 und N2.

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Das zu diskriminierende Signal el, das von dem Eingangsanschluß T1 angelegt wird, wird in zwei Signale aufgeteilt und wiederum jeweils der Primärseite der Transformatoren N1 und ΪΤ2 der Mischeinrichtungen 1D und 1E zugeführt. Andererseits gelangt das Bezugssignal e2, das an den Eingangsanschluß T2 angelegt wird, zuerst zu dem Gleichspannungssperrkondensator C1 und wird dann in zwei Signale aufgeteilt. Das eine Signal wird durch die Drosselspule 11 gedrosselt und das andere Signal wird dem Zwischenabgriff der Sekundärseite der Transformatoren N1 und N2 in den abgeglichenen.Mischeinrichtungen 1D und 1E zugeführt. Hier bildet der Kreis 10 mit einer Drosselspule L1 und einem Kodensator G2 einen Phasenschieber, um eine Phasendifferenz von 90° zwischen den beiden aufgeteilten Bezugsfrequenzsignalen e2 abzugeben, und entspricht I und C in Fig. 4. Gemäß Fig. 4 wird die Phasendifferenz zwischen den zu verzweigenden und zu diskriminierenden Signalen el abgegeben, jedoch wird im Falle der Fig. 9 die Phase des Bezugssignals e2 verschoben.

Die Differentialverstärker IC1 und IC2 sind z.B. die Typen /UÄ.733C der Fairchild Corporation oder MB35O1 der Firma Fujitsu. 8 ist eine Einrichtung zum Formen von_¥ellen, an welche die Ausgangssignale ea, ea und eb, eb der abgeglichenen Mischeinrichtungen 1D und 1E angelegt werden. Diese Einrichtung 8 zum Formen_von Wellen formt die Schwebungsfrequenzsignale ea, ea und eb, Tb (Sinuswellen) aus der Mischeinrichtung 1 in Rechteckwellen und besteht aus einem Flip-Flop-Kreis, auch Yerriegelungskreis genannt, d.h. einer Art. eines bistabilen Kreises, der ein NAND-Tor enthält, wobei auch ein NOR-Tor möglich ist. Der Grund, warum die Einrichtung 8 zum Formen von Wellen verwendet wird, besteht darin, daß ein größerer Frequenzdiskriminierbereich sichergestellt werden kann, wenn die Rechteckwelle dem nächsten Phasendiskriminierkreis 2' zugeführt wird, statt daß eine andere Wellenform verwendet wird, und unter dem Gesichtspunkt des Arbeitsprinzips ist die Schaltung 8 nicht immer erforderlich.

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Die Schwebungsfrequenzsignale ea¹, ea¹, eb¹ und eb¹, die in der Einrichtung 8 zum Formen von Wellen geformt worden sind,.sind Eingangssignale zu dem Phasendiskriminierkreis 2^!. In diesem Falle kann der Inverter der Fig. 9, wie er in Fig. 7(a) und Fig. 8(a) verwendet ist, weggelassen werden, da die umgekehrten Phasensignalkomponenten ea¹, eb¹ gleichzeitig mit den Schwebungsfrequenzsignalen ea¹ und eb¹ auftreten. Mit anderen Worten ist der Inverter nicht in dem Eingangstorkreis 21-A¹. und dem Aus gangs torkreis 21D¹ in Fig. 9 vorgesehen. Ein weiterer Aufbau des Phasendiskriminierkreises 2^f ist genau derselbe wie der Aufbau in Fig. 8(a) und deshalb können die Signale ea¹ und ea¹ als Torsignale und die Signale eb¹ und eTb¹ als Diskriminiersignale betrachtet werden. Zwei Arten von AusgangsSignalen von der Phasendiskriminierschaltung 2', die über die Anschlüsse T3 und T4 abgegeben werden, werden an die Gleichrichtungsund Glättungskreise 4 und 5 über die Differentialkreise 3 und 3' angelegt. Der eine Kreis besteht aus dem Kondensator 05 und dem Widerstand R9 und der andere Kreis besteht aus dem Kondensator 06 und dem Widerstand R10. Die Gleichrichtungs- und Glättungskreise 4 und 5 bestehen jeweils aus der Diode D1, dem Kondensator 07 und dem Widerstand R11 und der Diode D2, dem Kondensator 08 und dem Widerstand R12. In diesen Gleichrichtungs- und Glättungskreisen 4 und 5 wird das Ausgangssignal von den Differentialkreisen 3 und 3^f durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet, die bezüglich ihrer Polaritäten umgekehrt angeordnet sind. Somit erzeugen die Gleichrichtungs- und Glättungskreise 4 und 5 die Ausgangssignale mit zueinander umgekehrten Polaritäten.Die Differenz

zwischen den beiden AusgangsSignalen kann an dem Ausgangsanschluß T5, wie oben erwähnt, abgenommen werden.

Gemäß Fig. 9 sind 103 bis IC5 integrierte Schaltungen, die vier UAND-Tore enthalten. Diese Kreise können z.B. vom Typ MB400 (Quad 2-Eingang-HAND-Tor) der Firma Fujitsu sein.

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Fig.10 zeigt die Frequenzdiskriminierkennlinie des Kreises in Fig. 9, die üblicherweise mit S-Kurve bezeichnet wird.

In Pig. 10 ist f2 die Bezugsfrequenz und ein zu diskriminierendes Signal f1 ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die Werte von f1 und fh in Fig. 10 werden hauptsächlich durch die Grenzfrequenz der Differentialkreise 3 und 3¹ bestimmt und der Wert von fW wird durch die Diskriminierfähigkeit des Phasendiskriminierkreises 2^f bestimmt.

Im allgemeinen wird die Diskriminierfähigkeit letztlich durch die Hochgeschwindigkeits-Betriebsleistung der verwendeten digitalen Schaltungskomponenten bestimmt. Derzeitig kann fW mit etwa 40 MHz erhalten werden, wenn anderthalb Einheiten (insgesamt 6 NAND-Tore) von auf dem Markt befindlichen integrierten Schaltungen mit sehr guter Hochgeschwindigkeit s-Betriebsleistung verwendet werden, z.B. der Typ MB400 der Firma Fujitsu.

Darüber hinaus ist es auch möglich, verschiedene Ausgangseignale mit unterschiedlicher Frequenzdiskriminierempfindlichkeit zu erhalten, die unter dem Gesichtspunkt der Gleichstromkomponente voneinander isoliert sind, indem verschiedene Zweigausgangssignale von den Ausgangsanschlüssen T3 und T4 des Phasendiskriminierkreises 2' erhalten werden und indem diese zu dem jeweiligen Gleichrichtungs- und Glättungskreis über die Differentialkreise mit verschiedenen Grenzfrequenzen gegeben werden. In gleicher Weise ist es möglich, die Frequenzabweichung gegenüber der betreffenden Tonfrequenz kennenzulernen, indem diese Zweigausgangssignale in das Tonsignal umgesetzt werden, ohne daß diese an die Differentialkreise 3 und 3^f und die Gleichrichtungs- und Glättungskreise 4 und 5 angelegt werden. In diesem Falle müssen sowohl das Bezugsfrequenzsignal als auch das zu diskriminierende Signal nichtmodulierte Signale sein oder durch ein Signal moduliert sein,

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das eine konstante Frequenz außer der Hörfrequenz aufweist. Zusätzlich ist es auch möglich, die Frequenzabweichung und die Richtung des Signals aus den Umdrehungen pro Minute und der Drehrichtung zu erhalten, indem diese an einen geeigneten Motor angelegt werden. In allen voranstehenden Fällen wurde die Erläuterung unter der Voraussetzung gegeben, daß das Bezugsfrequenzsignal ein nichtmoduliertes Signal ist, das von einem kristallgesteuerten Oszillator erhalten wird. Das modulierte Signal ist aber auch unter dem Gesichtspunkt des Arbeitsprinzips

ler praktischen Verwendung zulässig und in einem solchen Falle wird die Mittelfrequenz des modulierten Signals als Bezugssignal der S-Kurve verwendet.

Die Erfindung stellt die Verwendung eines Signals mit stabiler Frequenz, das z.B. von einem kristallgesteuerten Oszillator erhalten wird, als Bezugsfrequenzsignal mit einer sehr einfachen Anordnung sicher und deshalb kann eine große Genauigkeit und eine Breitbandfrequenzdiskriminierung erhalten werden. Des weiteren kann ein Frequenzdiskriminierkreis mit hoher leistungsfähigkeit in' wirtschaftlicher Weise ausgeführt werden, da notwendige integrierte Schaltungen leicht eingebraucht werden können.

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Claims (13)

1. + βΐΊβ-ητι-HrtVio 47v) /OtJ

   Frequenzdiskriminiator mit einer Mischeinrichtung, an die ein zu diskriminierendes Signal der !Frequenz f1 und ein Bezugssignal der Frequenz f2 angelegt werden, wobei eines "der beiden Schwebungsfrequenzausgangssignale als Bezugssignal betrachtet wird, die Phase des Schwebungsfrequenzausgangssignals sich rechtwinklig zur Phase des Bezugssignals befindet und wobei zusätzlich zwei reversible Schwebungsfrequenzsignale entsprechend den Frequenzbeziehungen f1 < 12 oder f1 > f2 abgegeben werden, und mit einem Phasendiskriminierkreis, der zwei Ausgangsanschlüsse aufweist und ein Wechselstromsignal auf der Grundlage der Frequenz des Schwebungsfrequenzsignals zu einem der beiden Anschlüsse entsprechend einer Voreilung oder Nacheilung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegenüber der Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals abgibt, dadurch) gekennzeichnet, daß die beiden Schwebungsfrequenzsignale (ea und eb) jeweils in ein Zweipegelsignal in Abhängigkeit von ihren vorbestimmten Pegeln codiert werden und daß in dem Phasendiskriminierkreis ein Speicherkreis vorgesehen ist, der die vorbestimmten Pegel der beiden Schwebungsfrequenzsignale einer bestimmten Viertelperiode während eines Zyklus speichert, wodurch der umfang der Voreilung oder Verzögerung der Phase des einen Schwebungsfrequenzsignals gegenüber der Phase des anderen Schwebungsfrequenzsignals aus dem Ausgangssignal des Speicherkreises und aus wenigstens einem Schwebungsfrequenzsignalpegel bestimmt werden kann.
2. 2. Stequenzdiskriminator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Modulatoren, an die das zu diskriminierende Signal und das Bezugsfrequenzsignal angelegt werden, und durch eine Phasenverschiebungseinrichtung, welche die Phasendifferenz zwischen Θ1 und Θ2 um 90° verschiebt, wenn die Phasendifferenz zwischen den zu diskriminierenden Signalen

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   in beiden Modulatoren mit Θ1 und die Phasendifferenz
   zwischen den Bezugsfrequenzsignalen mit Θ2 bezeichnet
   werden.
3. 3. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsleitung als Phasenverschiebungseinrichtung.
4. 4. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Koaxialleitung als Verzögerungsleitung.
5. 5. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen 90°-Verschiebungs-Hybridkoppelkreis als
   Phasenverschiebungseinrichtung.
6. 6. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Induktivität (I) und einen Kondensator (C) als Phasenverschiebungseinrichtung.
7. 7. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine abgeglichene Mischeinrichtung als Modulator.
8. 8. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine doppelt abgeglichene Mischeinrichtung als Modulator.
9. 9. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminierkreis einen Ausgangsanschluß für jedes Signal und Phasendiskriminatoren (2OA, 20B) aufweist, an welche die Schwebungsfrequenzsignale (ea, eb und ea, eb) angelegt werden.
10. 10. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator (20A) aus einem Eingangstorkreis (21A), einem Speicher (21B) und einem Ausgangstorkreis (210) besteht.
11. 11. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstorkreis (21A), der Speicher (21B) und der Ausgangstorkreis (21C) jeweils aus NAND-Toren
    bestehen.

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12. 12. Frequenzdiskriminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminierkreis aus einem Eingangstorkreis (21A), einem Speicher (21B) und einem Ausgangstorkreis (21D) besteht.
13. 13. Prequenzdiskriminator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangstorkreis, der Speicher und der Aus gangs torkreis ^Jeweils aus HAND-Toren bestehen.

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