DE2541671A1

DE2541671A1 - Elektrische signalstabilisierungsschaltung

Info

Publication number: DE2541671A1
Application number: DE19752541671
Authority: DE
Inventors: Cheung Yun Chan; Edward Morris Howells
Original assignee: Broken Hill Pty Co Ltd
Current assignee: Broken Hill Pty Co Ltd
Priority date: 1974-09-18
Filing date: 1975-09-18
Publication date: 1976-04-08
Also published as: FR2285751A1; SE7510389L; DE2541671C3; FR2285751B1; NL7510976A; DE2541671B2; SE420868B; JPS5157473A; US4037095A; GB1481257A

Description

Liedl, Nöth, Zeitler 25A1671

Patentanwälte 8000 München 22 · S tei nsdorf st ra ße 21 - 22 · Telefon 089 / 29 84

B 7543

THE BROKEN HILL PROPRIETARY COMPANY LIMITED 140 William Street, Melbourne, Victoria, 3000 / AUSTRALIEN

Elektrische Signalstabilis ierungs schaltung

Die Erfindung betrifft das Entfernen von zyklischen und unregelmäßigen Komponenten aus einem Gleichspannungs- bzw. Gleichstromausgang, insbesondere eines elektrischen Wandlers, um am Ausgang insbesondere des elektrischen Wandlers ein gewünschtes Gleichspannungs- bzw. Gleichstromsignal wiederherzustellen, sowie eine elektrische Schaltung zur Aufbereitung von Signalen.

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N/G

Zur Messung physikalischer Größen, wie beispielsweise von Gewicht, erzeugt man gewöhnlich ein Aus gangs signal, welches sich als Gleichspannung darstellt, die proportional zur überwachten Größe bzw. zum überwachten Parameter ist. Normalerweise enthält dieses Signal die folgenden Komponenten:

1. Das gleichförmige Gleichspannungssignal, welches proportional der gemessenen Variablen ist;

2. überlagerte wechselnde Komponenten (beispielsweise Vibrationen, Schwingungen, Ansprechen auf das Netz und dgl.);

3. statistisches Rauschen.

Da lediglich das Gleichspannungssignal repräsentativ zu messende Variable ist, beeinträchtigen die zyklischen und statistischen Rauschkomponenten die Genauigkeit des Wandlers. Das zu lösende Problem besteht daher in der Beseitigung bzw. in der wesentlichen Verringerung aller unerwünschten Komponenten.

Das Vorhandensein von zyklischen und statistischen Rauschkomponenten im elektrischen Signal, das aus den belasteten Zellen eines Wägesystems für einen Stahlgießpfannenkran gewonnen ist, wirft spezielle Probleme auf, wodurch eine vorteilhafte Verwendung beim Gießen nach dem Wägeverfahren bei der Barrenherstellung bisher verhindert wurde. Die unerwünschten Komponenten resultieren aus einer Anzahl von Quellen, welche im wesentlichen die folgenden umfassen:

1. Die Vibration der am Kranseil hängenden Masse, welche eine dreidimensionale harmonische Bewegung darstellt;

2. die Vibration des Kranträgers, welche ebenfalls eine dreidimensionale harmonische Bewegung ist;

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3. die Vibration des gesamten Aufbaues. Dies ist eine unregelmäßige statistische Vibration, welche von der Bewegung anderer in der Nähe angeordneter sich bewegender Objekte und der relativen Stellung, welche der Kran gerade einnimmt, abhängt;

4. die plötzliche Änderung der Fließgeschwindigkeit während des Gießens, insbesondere bei der Betätigung der Sperreinrichtung.

Die hochfrequenten Komponenten können normalerweise durch Verwendung herkömmlicher Tiefpaßfilter ausgefiltert werden. Die hierbei auftretende Schwierigkeit liegt jedoch in der zwangsläufig damit verbundenen Verzögeiu ngszeit bis die Gleichspannungskomponente ihren stabilisierten Wert erreicht. Diese Verzögerungszeit beträgt normalerweise ein Mehrfaches der Periode der niedrigsten entfernten Frequenz. Ih den meisten mechanischen Wägesystemen beispielsweise ist die Schwierigkeiten bereitende Schwingfrequenz niedrig, d.h. in der Größenordnung von 0,1 Hz bis 10 Hz. Bei einem bekannten System beträgt die Minimalverzögerung eine Sekunde. Eine derartige Verzögerung erzeugt übergroße Schwierigkeiten beimGießen nach dem Wägeverfahren.

Ein anderes herkömmlicherweise verwendetes Verfahren verwendet eine Bandsperre ("Kerb"-filter). Dieser Lösungsweg überwindet zwar den Verlust der Systemempfindlichkeit, jedoch ist es schwierig, einen Frequenzabgleich in Abhängigkeit der Änderungen der zu beseitigenden störenden Frequenzen zu erhalten, d.h. eine Abstimmung des mechanischen Systemes auf die Resonanzfrequenz des Kerbfilters ist schwierig.

Es ist zwar noch eine genaue Methode bekannt, bei der rasch unerwünschte Komponenten entfernt werden können und bei der das Signal einer Fourrieranalyse oder anderen digitalen Techniken in einem Rechner unterworfen wird. Diese Methode ist jedoch sowohl aufwendig als auch kompliziert.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, für alle praktischen Fälle unerwünschte zyklische und/oder statistische Komponenten aus einem Wandlersignal in einfacher Weise zu entfernen.

Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Aufgabe eine elektrische Schaltung zur Aufbereitung von Signalen vor, welche unerwünschte zyklische Komponenten aus einem zusammengesetzten Signal, das Gleichspannungsund zyklische Komponenten enthält, entfernt und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß sie die Periode des zusammengesetzten Signales feststellt und eine Mittelwertbildung des zusammengesetzten Signales über die Periode des Signales zur Beseitigung der zyklischen Komponenten durchführt.

Insbesondere schlägt die Erfindung eine elektrische Schaltung zur Aufbereitung von Signalen vor, welche unerwünschte zyklische und/oder statistische Komponenten aus einem zusammengesetzten Gleichspannungs-/ Zyklussignal entfernt und Mittel aufweist, welche die Periode der Schwingung des zusammengesetzten Signales feststellt und ferner Mittel enthält, welche das zusammengesetzte Signal über eine Periode des zusammengesetzten Signales integrieren und außerdem Mittel aufweist, welche das integrierte zusammengesetzte Signal durch die Periode des Signales dividieren, so daß der Mittelwert des zusammengesetzten Signales über eine Periode ermittelt wird.

In bevorzugter Weise enthalten die Mittel zur Feststellung der Periode des Signales eine phasenstarre Schleife, welche die Frequenz des zusammengesetzten Signales genau wiedergibt und somit eine stabile bzw. konstante Bestimmung der Periode ermöglicht.

Mit der Erfindung ist es möglich, das gewünschte Gleichspannungs- bzw. Gleichstromsignal bedeutend wirksamer aufzubereiten, als dies mit her-

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kömmlichen Methoden, wie beispielsweise mit Hilfe eines Komparators oder der "Nulldurchgangs¹¹-Methode möglich ist.

In den beiliegenden Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die folgende Beschreibung dient im Zusammenhang mit den Figuren zur weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausftihrungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltbild, das im einzelnen die Datenverarbeitungs-

schaltung zeigt, welche in der Schaltung der Fig. 1 verwendet wird;

Fig. 3 die Zeitsteuerung für das Integrator- und Dividierglied in

der Datenaufbereitungsschaltung der Fig. 2;

Fig. 4 Kurvendarstellungen der von der belasteten Zelle abgege-

^un benen Signale und die analogen Ausgangssignale, welche

durch die Schaltung der Fig. 1 vor und während des Gießens erzeugt werden;

Fig. 6, 7, weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. 8 und 9

Bei der Untersuchung des Problems der Beseitigung unerwünschter zyklischer und statistischer Signale aus dem Gleichspannungsausgangs signal der belasteten Zellen der Kranwiegeeinrichtung wurde eine sorgfältige Analyse der unerwünschten Komponente des Ausgangssignales durchgeführt. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Signal eine stati-

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stische harmonische Schwingung beinhaltet, dessen Durchschnittswert gleich null ist. Diese Erkenntnis macht sich die Erfindung zunutze, indem sie bei der Beseitigung der unerwünschten Komponente eine Mittelwertsbildung des Ausgangssignales durchführt. Eine derartige Mittelwertsbildung kann in bekannter Weise durch Integration des Signales über eine Schwingungsperiode des Rauschens, gefolgt von einer Division durch diese Periode, durchgeführt werden.

Um diesen Vorgang durchzuführen, ist es notwendig, genau die Periode der Schwingung des schwingenden Rauschsignales festzustellen. Diese Periode ist jedoch nicht konstant, sondern ändert sich kontinuierlich und statistisch bzw. unregelmäßig. Der Änderungsbereich beträgt beispielsweise 3 - 5 Hz im Falle von belasteten Zellen beim Kranwiegen. Demzufolge benötigt man Mittel, welche dynamisch die Periode der Schwingung feststellen, um die Integration zu steuern und den geeigneten Dividenden für die sich anschließende Division zu finden. Die Schwellenwerts bildung, welche beispielsweise bei der Nulldurchgangs er mittlung zur Anwendung kommt, kann nicht verwendet werden, da andere unregelmäßige bzw. statistische Geräusche im Signal der belasteten Zellen eine falsche Ermittlung der Schwellenhöhe herbeiführen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die vorstehenden Schwierigkeiten durch die Anwendung eines Diskriminators, der durch die Frequenz einer phasenstarren Schleife moduliert ist, beseitigt werden können.

Eine phasenstarre Schleife stellt ein Servosystem dar, das genau die Frequenz des aufzubereitenden Signales wiedergeben kann. Die Möglichkeit des Frequenzgleichlaufes der Schleife erlaubt die stabile bzw. konstante Ermittlung der Frequenz des zusammengesetzten Signales, welches der Schleife zugeführt wird und damit die Bestimmung der Periode des Signales.

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Da ein phasenstarrer Schleifendiskriminator bekannt ist, soll auf eine weitere Beschreibung eines derartigen Schaltkreises und seiner Arbeitsweise verzichtet werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Ausgang des Diskriminators eine Rechteckwellenwiedergabe mit der Frequenz des zyklischen Rauschsignales ist.

Aus der Fig. 1 ist zu ersehen, daß die elektrische Schaltung zur Aufbereitung eines Signales ein Tiefpaßfilter 1,dessen Ausgang mit einem phasenstarren Schleifendiskriminator 2 (beispielsweise vom Typ 565) sowie mit einem Spannungsfrequenzumformer 3 verbunden ist. Der Ausgang des Spannungsfrequenzumformers 3 ist mit einem digitalen Integrator 4 mit einem bekannten Aufbau, wie er aus Fig. 2 ersichtlich ist, verbunden. Der Ausgang des Integrators ist über eine Pufferstufe 5 mit einer digitalen Dividierstufe 6 mit bekanntem Aufbau, wie er im einzelnen in der Fig. 2 dargestellt ist, verbunden. Der Ausgang der Dividierstufe 6 ist mit einem Digitalanalogumformer 7 verbunden. Die digitale Dividierstufe 6 empfängt das Ausgangssignal eines Bezugsoszillators 8, welches durch einen Zeitbasisintegrator 9 gesteuert wird und über eine Puff er stufe 10 geliefert wird.

Der genauere Aufbau der Schaltung und der Betrieb der Schaltung soll im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert werden. Das Gewichtssignal E_T , welches vom Wandler kommt, gelangt zuerst in das Tiefpaßfilter 1, welches alle hochfrequenten Geräusche, wie z.B. Nadelimpulse und 50 Hz-Interferenz, beseitigt. Die Grenzfrequenz des Filters ist so festgelegt, daß die Zeitverzögerung vernachlässigbar ist. Der Spannungsfrequenzumformer 3 und der digitale Integrator 4 integrieren den vom Filter 1 kommenden Ausgang; während die Periode der Integration durch den phasenstarren Schleifendiskriminator 2, welcher ständig den Ausgang des Filters 1 tiberwacht, festgelegt wird.

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Gleichzeitig steuert der phasenstarre Schleifendiskriminator 2 den Zeitbasisintegrator 9, so daß die Dauer der Periode bemessen ist. Nach jedem Zyklus werden die Inhalte des digitalen Integrators 4 und des Zeitbasisintegrators 9 abgefragt, und es wird eine schnelle digitale Division des Integrals und der Zeitbasis durch die Dividierstufe 6 durchgeführt, so daß der Durchschnittswert des abgefragten Zyklus ermittelt wird. Unmittelbar nach jeder Abfragung wird ein anderer Integrationszyklus durchgeführt, so daß die Integrations- und Divisionszeiten sich tberlappen, wodurch eine maximale Ausnützung der vom Wandler kommenden Information erzielt wird. Das digitale Ausgangssignal der Dividierstufe 6 wird durch den Digitalanalogumformer 7 in ein analoges Ausgangssignal umgewandelt, das das aufbereitete Gewichtssignal E_p wiedergibt.

Die Wirkungsweise der in der Fig. 2 gezeigten Schaltungsanordnung ergibt sich aus den einzelnen Angaben in dieser Figur. Die Wirkungsweise der Zeitsteuerung ist in der Fig. 3 dargestellt. Es bedeuten:

(a) den Ausgang der phasenstarren Schleife,

(b) die Integrationsperiode,

(c) die Impulse des Referenzoszillators,

(d) den offenen Multiplexerbefehl,

(e) den Übertragungsbefehl von Daten an Puffer,

(f) den Rückstellbefehl für integrierende Zähler,

(g) den Anfangsbefehl für den Divisionsvorgang, (h) den Rücksetzbefehl für den Befehls generator,

(i) den Befehl "wenn kein arithmetischer Unterlauf, Stellenverschiebung im Schieberegister",

(j) den Linksverschiebungsbefehl.

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Der Divis ions vor gang wird durch sechszehn Linksverschiebungssubtraktionsfolgen und durch entsprechende Maßnahmen für die Datenhandhabung zwischen den einzelnen Subtraktionen durchgeführt.

Die Aufbereitungsschaltung wurde in der Praxis geprüft und die Fig. 4 und 5 zeigen die Resultate, welche vor und während des Gießens eines Barrens erzielt wurden. Die schlechteste Signalzeitnacheilung, welche sich ergeben hat, lag in der Größenordnung von 0,17 Sekunden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber bekannten Filtersystemen bedeutet. Bei Verwendung des in der Fig. 2 dargestellten 20 Bit-Systemes ergab sich eine Genauigkeit des digitalen Rechenvorganges von ΐ 1 p.p.m. (Teile je Million).

In der Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer analogen Ihtegrationsschaltung dargestellt, welche zur Aufbereitung von Signalen dient. In dieser Schaltung wird das zusammengesetzte Signal E-. an eine phasenstarre Schleife 20 geliefert, welche ein Ausgangssignal liefert, das die Periode des Signales E darstellt. Gleichzeitig wird das Signal E^. an einen Integrator 21 gelegt, der nur dann im Betrieb ist, wenn er ein Steuersignal von einer logischen Steuerschaltung 22 erhält. Die logische Steuerschaltung 22 erzeugt ein Steuersignal für eine Zeit, welche der Periode von E. entspricht. Dieses Steuersignal wird gleichzeitig sowohl an den Integrator 21 als auch an einen weiteren Integrator gelegt. Der Integrator 21 integriert das zusammengesetzte Signal E-über die Periode, während der Integrator 23 eine Referenzspannung (ν—,) über die gleiche Periode integriert. Die Ausgänge der Integratoren 21 und 23 werden an einen Dividierer 24 gelegt, welcher die beiden Ausgangsspannungen dividiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Mittelwert des Signales E_ entspricht.

L·

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Die in der Fig. 7 gezeigte Schaltung integriert das Signal E_T mit Hilfe der Doppelintegrationsmethode, welche dem digitalen Verfahren ähnlich ist, ausgenommen, daß die Ihtegrationsperiode variabel ist und durch eine phasenstarre Schleife 30 festgelegt ist. Eine logische Steuerschaltung 33 startet Integratoren 31 und 32 bei Beginn der Periode T₁ von E_L,und stoppt den Betrieb der Integratoren am Ende der Periode, welche durch die phasenstarre Schleife 30 festgesetzt ist. Der Ausgang des Integrators 21 ist dann:

T₁ T₁ T₁

^El⁼ / ^Eout'^dt= / ^Edc'^dt+ / E .ein 2 F^t = E₀₀-T_{1 +}ο ooo

Der Ausgang des Integrators 32 ist:

^Tl

E =- Γ V · dt = - T -V
*2 ^J _o ^vRef ^{ac 1}I ^vRef

Die logische Steuerschaltung 33 betätigt dann einen Schalter, welcher den Ausgang des Integrators 32 auf null legt, was durch einen Komparator 37 in der Zeit T₃ empfangen wird. Demzufolge gilt:

\ T₁-V_Rof-dt = E, -T₁ und /. T₁-V₀ ,-T₀ = E, -T₁ und T₉ = ^Edc r 1 Ref de 1 1 Ref 2 de 1 . ^2

Demzufolge ist der Ausgangswert eines Zählers 34, welcher durch einen Bezugsoszillator 35 während der Periode T„ angetrieben ist, proportional zu E, . Dieser Wert wird von einer Wiedergabeeinrichtung 36 angezeigt.

Die elektrische Schaltung in der Fig. 8 integriert mit Hilfe einer digitalen Rauschansprechmethode. Es kommen hierbei digitale Mehrfachintegrationen in Zeitüberlappung zur Anwendung. Man erhält hierdurch eine laufende Mittelwertbildung des Ausgangssignales E_L- Die Mittelwertbildung wird über die Periode durchgeführt, welche von der phasen-

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starren Schleife festgelegt. Die Zeitfolge der Taktimpulse und der integrierenden Zähler ist in der Fig. 9 dargestellt. Der Betrieb der Schaltung ist somit aus diesen beiden Figuren ersichtlich.

Die einzelnen Baugruppen in den vorstehend gezeigten Schaltungen können in bekannter Weise ausgestaltet sein, wobei beispielsweise jeder Schaltungsblock als geschlossene Baugruppe im Handel bezogen werden kann. Die einzelnen Baugruppen können Änderungen aufweisen in Abhängigkeit von dem gewünschten Betrieb.

Natürlich können auch andere elektrische Schaltungen, welche nach anderen Integrations- und Dividier methoden arbeiten, verwendet werden. Dies hängt jeweils vom Zweck und den jeweiligen Betriebsbedingungen ab. Beispielsweise kann die im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 verwendete Hardware durch einen Mikroprozessor ersetzt sein, der die Integration und den Dividiervorgang mit Hilfe eines Software-Programmes durchführt. Ferner ist die Erfindung nicht nur auf die Anwendung der Aufbereitung von Signalen, welche aus einem Kranwägesystem beim Stahlgießen gewonnen werden, beschränkt, sondern auch dann mit Erfolg einsetzbar, wennigs^ejtforderlich ist, ein unerwünschtes statistisches zyklisches Rauschen aus einein-^lgichspannungssignal zu entfernen.

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Claims

Patentansprüche

l.J Elektrische Schaltungsanordnung zur Aufbereitung von Signalen, "welche unerwünschte zyklische und/oder unregelmäßige Komponenten aus einem zusammengesetzten Signal, das aus einer Gleichstromkomponente und einer zyklischen Rauschkomponente zusammengesetzt ist, entfernt, gekennzeichnet durch eine Bestimmungsschaltung zur Bestimmung der Periode des zusammengesetzten Signals und durch eine Schaltung zur Mittelwertsbildung aus dem zusammengesetzten Signal über die Periode des zusammengesetzten Signals zur Entfernung der zyklischen Komponenten .
2. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Mittelwertsbildung eine Integrationsschaltung zur Integration des zusammengesetzten Signales über eine Periode dieses Signales und eine Dividierschaltung zur Division des integrierten zusammengesetzten Signales durch die Periode dieses zusammengesetzten Signales enthält, so daß die Mittelwertsbildung für das zusammengesetzte Signal über eine Periode des zusammengesetzten Signales erzielbar ist.
3. Elektrische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmungsschaltung zur Bestimmung der Periode des zusammengesetzten Signales einen phasenstarren Schleifendiskriminator aufweist.
4. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tiefpaßfilter zwischen der Signalquelle, welche das zusammengesetzte Signal liefert,und dem phasenstarren Schleifendiskriminator geschaltet ist, daß mit dem Ausgang des Tief-

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paßfilters ein Spannungsfrequenzumformer verbunden ist, dessen Ausgang mit einem digitalen Integrator verbunden ist, der durch den phasenstarren Schleifendiskriminator so angesteuert wird, daß das zusammengesetzte Signal über eine Periode integriert wird, daß eine digitale Divierdierstufe mit dem Ausgang des digitalen Integrators verbunden ist und an die digitale Dividierstufe außerdem ein Zeitbasisintegrator angeschlossen ist, der durch den phasenstarren Schleifendiskriminator in der Weise angesteuert ist, daß das Ausgangssignal des digitalen Integrators durch die Periode des zusammengesetzten Signales dividiert wird, so daß ein digitales Mittelwertsignal erzeugt ist und daß ein Digitalanalogumformer zur Umformung des digitalen Mittelwertsignales in analoge Form an die digitale Dividierstufe angeschlossen ist.
5. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie an die belastete Zelle eines Kranwägesystems zum Empfang des zusammengesetzten Signales angeschlossen ist.
6. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ihtegrationsschaltung, welche das zusammengesetzte Signal integriert, einen analogen Integratorschaltkreis aufweist mit einem Integrator, der durch das zusammengesetzte Signal gespeist wird und einen Integrator, der durch eine Referenzspannung gespeist wird, daß eine logische Steuerschaltung an die beiden Integratoren angeschlossen ist und die logische Steuerschaltung durch den phasenstarren Schleifendiskriminator derart angesteuert ist, daß die Integratoren während einer Periode des zusammengesetzten Signales eingeschaltet sind und daß ein Dividierer mit den Ausgängen der Integratoren verbunden ist, der ein Ausgangssignal liefert, das den Mittelwert des zusammengesetzten Signales darstellt.

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7. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung einen Schaltkreis enthält, der das zusammengesetzte Signal durch eine Zweifachintegration integriert.
8. Elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationsschaltung einen Schaltkreis enthält, der das zusammengesetzte Signal durch eine schnelle digitale Ansprechintegration integriert.

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