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Digitaler Phasendetektor
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Die Erfindung betrifft einen digitalen Phasendetektor mit zwei Eingängen
und zwei Ausgängen für ein Phasenregelsystem mit Bezugssignal und Verg].eichssignal,
bei dem dem ersten Eingang das Bezuassignal und dem zweiten Eingang das Vergleichssignal
zuführbar sind und bei dem der erste Ausgang ein erstes Ausgangssignal abgibt, wenn
das Bezugssignal dem Vergleichssignal in der Phase vorauseilt, und der zwei-#e.
Ausgang ein zweites Ausgangssignal, wenn das Bezugssignal dem Vergleichssignal in
der Phase nacheilt, wobei die Impulsbreite dieser Ausaangssignale jeweils dem Wert
der Phasenversahiebung zwischen Bezugssignal und Vergleichssignal proportional ist.
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Ein derartiger Phasendetektor wird vorzuasweise in P1L-Regelsystemen
(phase-locked-loop -Systemen) -eingesetzt, um z.B. das Ausgangssignal eines spannungsgesteuerten
Oszillators als Vergleichssignal mit einem Steuersignal als Bezugssignal zu synchronisieren.
Der Phasendetektor vergleicht die Phase des Bezugssignals mit der Phase. des Vergieichssignals.
Je nach der Phasendifferenz entsteht an dem einen oder anderen Ausgang des Phasendetektors
ein Ausgangssignal, dessen Impulsbreite dem Wert der Phasendifferenz proportional
ist. Das Ausgangssiqnal- wird über einen Verstärker und ein Filter dem Oszillator
als Regelspannung zugeführt.
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Bei den bekannten Phasendetektoren der eingangs erwähnten Art tritt
im Falle der Unterbrechung des Bezugssignals immer dann ein Fehlverhalten auf ,
wenn die Phase des wiedereinsetzenden Bezugssignals der Phase des ursprünglichen
Bezugssignals vorauseilt. Die Phase wird dann auf 2 # statt auf Null abgeg,lic'hen.
Dieses Fehlverha-lten tritt besonders
dann auf, wenn das Bezugssignal
vor der Unterbrechun<T aus einer anderen Quelle entnommen wird als das Bezuassi(1na1
nach der Unterbrechung.
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Es ist AuFgabe der Erfindung, einen diaitalen Phasendetektor der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, der auch bei Ansteuerung mit duplizierten Bezugs signalen
unterschiedlicher Phase im Anschluß an eine Signalunterbrechung in jedem Fall die
Phase auf Null abgleich.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß den Eingängen
des Phasendetektors eine Korrektur-Schaltung mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen
vorgeschaltet ist, wobei die Ausgänge der Korrekturschaltuna mit den Einqängen des
Phasendetektors verbunden sind und das Bezuassiqnal und das Vergleichssignal den
Eingänqen der Korrekturschaltung zuführbar sind, und daß die Korrekturschaltunq
nach einer Unterbrechung des Bezuassignals die Durchschaltung ihrer Eingänge auf
ihre Aus gange in der Weise vornimmt, daß die Abfallflanken von Bezugssignal und
Vergleichssignal gleichzeitig durchaeschaltet werden oder daß die Abfallflanke des
Bezuqssignals nach der Abfallflanke des Vergleichssignals durchgeschaltet wird.
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Auf diese Weise werden das Bezugssignal und das Vergleichssignal unabhänaig
von der Phasenbeziehung des Steuersignals vor und nach der Unterbrechunq stets in
der bestimmten Reihenfolge auf den'digitalen Phasendetektor gelangen, um sicherzustellen,
daß der Phasenabgleich bei Nul] und nicht bei 2 f erfolgt.
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Um diese zeitrichtige Durchschaltung des Bezugs- und Vergleichssignals
auf die Eingänge des Phasendetektors zu er-
reichen, ist nach einer
Ausführungsform vorgesehens daß die Korrekturschaltung zwei Durchschaltegatter aufweist,
deren Ausgänge mit den Ausgängen der Korrekturschaltung verbunden sind, daß jedes
Durchschaltegatter zwei Eingänge aufweist, von denen einer mit dem zugeordneten
Eingang der Korrektur-Schaltung verbunden ist und der andere über eine Logikschaltungansteuerbar
ist, die die gleichzeitige oder die zeitlich nacheinander erfolgende Durchschaltung
der Durchschaltegatter nach einem Ausfall und nach erfolgtem Wiedereinsetzen des
Bezugssignals vornimmt.
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Damit diese Logikschaltung den Beginn und das Ende der terbrechung
des Bezugssignals auf einfache Art feststellen kann, sieht eine weitere Ausgestaltung
vor, daß, die LogSkschaltung eine Monoflop-Schaltung aufweist, die von den An-'stiegsflanken
des Bezugssignals ansteuerbar ist und solange im Einschaltzustand bleibt, solange
das Bezugssignal ansteht, und die bei Ausfall des Bezugssignals nach Ablauf der
Standzeit die Sperrung der Durchschaltegat~er einleitet.
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Die Steuerung der Durchschaltegatter in der Korrekturscha tung wird
nach einer Ausführungform dadurch erreicht, daß die Logikschaltung eine Kippschaltung
aufweist, die im Einschaltzustand der Monoflop-Schaltung in die, Arbeitsstellung
-gebracht ist, daß der eine Ausgang der Kippschaltung über einen Inverter mit dem
zweiten Eingang des vom Bezugssignal angesteuerten Durchschaltegatters verbunden
ist, daß der andere Ausgang der Kippschaltung mit dem zweiten Eingang des vom Vergleichssignal
angesteuerten Durchschaltegatters verbunden ist und daß die Kippschaltung über eine
Gatterschaltung in die Arbeitsstellung steuerbar ist, die vom
Ausgangssignal
der Monoflop-Schaltung und vom Vergleichssignal ansteuerbar ist.
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Die zeitliche Verzögeruna der Durchschaltuna des Bezugssignals wird
nach einer Weiterbildung dadurch sicheraestellt, daß die Gatterschaltung die Kippschaltung
zurückstellt, wenn die Monoflop-Schaltung im Einschaltzustand ist und das Vergleichssignal
ansteht und daß dem zweiten Eingang des vom Bezugssignal gesteuerten Durchschaltegatters
ein Kondensator parallelgeschaltet ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 das Blockschaltbild eines Phasenregelkreises mit
einem Phasendetektor, Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Korrekturschaltung, die
dem Phasendetektor gemäß der Erfindung vorgeschaltet ist, Fig. 3 die Signaldiagramme
des bekannten Phasendetektors und Fig. 4 die Signaldiaaramme des erfindungsgemäßen
Phasendetektors- mit einer Korrekturschaltung.
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In einem PLL-Regelsystem nach Fig. 1 wird die Frequenz und die Phase
eines steuerbaren Oszillators VCO auf die Frequenz
und die Phase
eines Bezugssignals eingeregelt. Das Bezugssignal R wird dem einen Eingang eines
digitalen Phasendetektot PDT zugeführt, während das Ausgangssignal des Oszillators
VCO als Vergleichssignal V auf den anderen Eingang des Phasendetektors PDT gelangt.
Die Auslegung'des Phasendetektors PDT ist so, daß an dem Ausgang PU ein Ausgangssignal
auftritt, wenn das Bezugssignal R in der Phase dem Vergleichssignal V in der Phase
vorauseilt, und daß an dem Ausgang PD ein Ausgangssignal auftritt, wenn das Bezugssignal
R in der Phase dem Vergleichssignal V in der Phase nacheilt. Das Ausgangssignal
hat dabei eine Impulsbreite, die dem Wert der Phasendifferenz proportional ist,
und gelangt über den Verstärker Vr und ein Tiefpaßfilter F als Regelspannung Ur
auf den Regeleingang des spannungsgesteuerten Oszillators VCO.
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Der Phasendetektor PDT besteht aus zwei symmetrischen Hälften. Dem
Eingang für das Bezugssignal R ist der Ausgang PU, und dem Eingang für das Vergleichssignal
V der Ausgang PD zugeordnet. Aus der neutralen Grundstellung, in der die Ausgänge
PU und PD im H-Zustand sind, d.h. inaktiv sind, wird bei einer Abfallflanke des
zugeordneten Signals der zugeordnete Ausgang in den L-Zustand geschaltet, d.h. aktiviert;
Ist ein Ausgang bereits aktiviert, dann haben weitere Abfall flanken am zugeordneten
Eingang keinen Einfluß mehr auf den Zustand des Ausganges. Ist ein Ausgang aktiviert
und tritt am Eingang der nicht aktivierten Hälfte eine Abfallflanke auf, dann wird
der aktivierte Ausgang wieder inaktiv geschaltet (H-Zustand) und der Phasendetektor
nimmt wieder seine neutrale Grundstellung (PU=H, PD=H) ~ein. Sind beide Ausgänge
inaktiv (H-Zustand) und treten an beiden Einbeiden
Eingängen gleichzeitig
Abfallflanken auf, dann #.rscheinen an beiden Aushängen PU und PD lediglich kurze
Spannungsimpulse, die sich in ihrer Wirkunq kompensieren.
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Im folgenden wird ausgehend von der Grundstellunc des Phasendetektros
PDT mit PU=H und PD=H die erste Abfallflanke, die den zugeordneten Ausgang aktiviert
(L-Zustand, als frühe Flanke und diejenige Abfallflanke, die das Zurückschalten
des Ausganaes in den inaktiven Zustand (H-Zustand) bewirkt, als späte Flanke bezeichnet.
Bei aktiviertem (L-Zustand) Ausgang PU wird in einem PLL-Revelkreis die Phase des
spannungscresteuerten Oszillators VCO verzögert und bei aktiviertem Ausgang PD dagegen
beschleuniqt.
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Im Betriebsfall ist mit einem Aus#fall oder einer Unterbrechung des
Bezugssignãls R zu rechnen. Diese Unterbrechung kann auch die Folie einer Umschaltung
von einer ersten auf eine zweite Bezugssignal-Quelle sein. Der Ausfall und die Unterbrechung
des Bezugssignals muß erkannt werden. Das nach der Unterbrechung auftretende Bezuassignal
kann aufgrund von Bausteintoleranzen oder dgl. gegenüber dem Be-Bezugssignal vor
der Unterbrechung bzw. dem Ausfall einen Phasenversatz in positiver oder negativer
Richtung aufweisen. Wenn die Phase des Bezugssignals nach der Unterbrechung der
Phase des Bezugssignals vor der Unterbrechung vorauseilt, erfolgt der Phasenabaleich
in falscher Richtunq, wie anhand der Signaldiagramme nach Fig. 3 qezeigt wird.
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Im Zeitpunkt t1 liegt die neutrale Grundstellung tPU=M, PD=Fi) des
Phasendetektors PDT vor. Die zum Zeitpunkt t2 auftretende Abfallflanke des Bezuassianals
R wirkt des-
halb als frühe Flanke und aktiviert den Ausgang PU
(L-Zustand). Die Abfall flanke des Vergleichssignals V im Zeitpunkt t3 wirkt als
späte Flanke und schaltet den Ausgang PU wieder in den inaktiven Zustand (H-Zustand).
Die Impulsbreite des Ausgangssignals am Ausgang PU ist durch die Zeitdifferenz t3-t2
gegeben. Im Idealfall ist t3-t2 = O,d.h.
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das Bezugssignal R ist mit dem Vergleichssignal V in Phase.
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Auch im'Zeitpünkt t4 sind die beiden Ausgänge PU und PD inaktiv (H-Zustand).
Daher wirkt die Abfallflanke des Vergleichs-'signals V im Zeitpunkt t5 als frühe
Flanke und aktiviert den Ausganq PD (L-Zustand). Im Zeitpunkt t6 tritt zum erstenmal
nach der Unterbrechung des Bezugssignals R eine Abfallflanke dieses Bezugssignals
R auf. Da zu diesem Zeitpunkt t6 der Ausganq PD aktiviert (L-Zustand) ist, wirkt
die Abfallflanke des Bezugssignals R als späte'Flanke und schaltet den Ausgang PD
inaktiv (H-Zustand). Die Grundstellung (PU=H, PD=~i) des Phasendetektors PDT ist
damit wieder hergestellt.
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Im Zeitpunkt t7 wird daher die Ahfallflanke des Vergleichssignals
V bereits wieder als frühe Flanke gewertet, auch wenn die Zeit- bzw. Phasendifferenz
A ~ zwischen t7 und t6 nur einen kleinen Bruchteil einer Signalperiode beträgt.
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Das Ausgangssignal am Ausgang PD hat daher eine Impulsbreite, die
durch den Ausdruck (2 7 - i~) bestimmt ist.
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Der Phasenfehler A ~ wird auf den Wert 2 X vergrößert.
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Die Wirkungsweise des bekannten Phasendetektors'PDT kann also folgendermaßen
beschrieben werden: Beim Ausbleiben der Abfallflanken des Bezugssign#ls R stellt
der Phasendetektor PDT fest, daß die Abfallflanken des Vergleichssignals V in viel
zu rascher Fo].ge auftreten. Deshalb werde die'Abfallflanken des Vergleichssignals
V solange verzögert, bis wieder Gleichzeitigkeit mit den Abfallflanken
des
Bezugssignals R vorliegt. Falls die Abfallflanken des wieder einsetzenden Bezugssignals
R den Abfaliflanken des Vergleichssignals V um einen Phasenwinke] w ~ (der
nur einen Bruchtei] einer Signalperiode 2 # betrci(Tt) nanchteilen, führt die
Verzögerunq der Abfallflanken des Verqieichssicrnals V zur Verkleinerunq des Phasenwinkels
gegen den Wert Null. Falls dagegen die Abfallflanken des wieder einsetzenden Bezugssignals
R den Abfallflanken des Veraleichssignals V um einen Phasenwinkel a ~ vorauseilen,
wird dieser Phasenwinkel auf den Wert 2 # vergrößert, denn erst bei diesem Phasenwinkel
habe die Abfallflanken des Bezugssignals R und des Vergleichssignals V wieder übereinstimmende
Phasenlage. Bei vorauseilenden Abfallflanken des Bezuessignals R ist daher eine
Korrektur im Ziehverhalten des Phasendetektors PDT erforderlich.
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Diesem Zweck dient die Korrekturschaltung KS nach Fwlc. 2, die dem
bekannten Phasendetektor PDT vorgeschaltet wird. Die orrekturschaltung KS hat zwei
Ausgänge, die mit den beiden Eingängen des Phasendetektors PDT verbunden sind. Das
nezugssignal R wird jetzt dem einen Eingang der Korrekturschaltung KS zuaeführt,
während das Vergleichssignal V auf den zweiten Eingang der Korrekturschaltuna KS
gelangt. Diese Korrekturschaltunq KS bewirkt, daß bei einem Ausfall bzw.
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einer Unterbrechung des Bezugssignals R. beide Eingänge des Phasendetektors
PDT in den inaktiven Zustand (H-Zustand) gebracht werden und daß nach dem Wiedereinsetzen
des Bezugssignals R, zuerst an ~den dem Verqleichssignal V zugeordneten Eingang
des Phasendetektors PDT die Abfallflanke des Verqleichsstqnals V angelegt wird und
erst danach an den (l<# Bezugssignal R zugeordneten Eingang des Phasendetektors
PDT die Abfallflanke des Bezugssignals R. Dabei bleibt die Ab-
Abfallflanke
des Vergleichssignals V ohne Wirkung, denn der Ausgang PD des Phasendetektors PDT
ist zu diesem Zeitpunkt bereits aktiviert (PD=L). Demzufolge hat die'Abfallflanke
des Bezuqssiqnals R die Wirkung einer späten Flanke und bring't den Phasendetektor
PDT in seiize Grund stellung (PD=H, PU=II). weitere Abfallflanken des Bezugssignals
R und des Vergleic'hssignals V treten erst bei der nächsten Signalperiode auf. Da
in diesem Zeitpunkt der Phasendetektor PDT in seiner Grundstellunq (PD=Hr PU=H)
ist, wird jetzt die Phase richtig abgeglichen.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Korrekturschaltung KS wird
anhand des Schaltbildes nach Fig. 2 und der Signal diagramme nach Fig. 4 näher erläutert.
Durch eine retriggerbare Monoflop-Schaltung MF wird überwacht, ob das Bezugssignal
R ansteht. Solange an dem dem Bezugssignal R zuaeordneten Eingang der Korrekturschaltung
RS Anstiegsflanken des Bezugssignals R auftreten, bleibt der Ausganq Q der Monof#op-Schaltung
MF im Fr-Zustand. Dabei nimmt die aus den Gattern G4 und G5 bestehende Kippschaltung
ihre Arbeitsstellung (D=L,B=H) ein, denn an dem Punkt Q liegt das dem H-Zustand
entsprechende Potential und am Punkt A tritt periodisch das dem L-Zustand entsprechende
Potential auf. Der eine Ausgang der Kippschaltuna führt über einen durch das Gatter
G6 gebildeten Inverter auf den zweiten Eingang des, dem Bezugssiqnal R zugeordneten
Durchschalteatters G1, während der andere Ausgang direkt mit dem zweiten Eingang
des dem Vergleichssignal V zugeordneten Durchschaltegatters G2 verbunden ist. In
der ArbeitssteLlung der Kippschaltung'sind die Durchschaltegatter G1 und G2 für
das Bezugssignal R und das Vergleichssignal V geöffnet, da die Punkte E und B ein
dem H-Zustand entsprechendes Potential führen.
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Fällt das Bezugssignal R im Zeitpunkt til aus, dann kippt die Monoflop-Schaltung
MF nach seiner Standzeit ts in den Zustand, in dem der Ausgang Q den L-Zustand aufweist.
Dies ist zum Zeitpunkt t12 der Fall. Durch die Änderung des Po tentials am Punkt
Q wird auch die Kippschaltung in die Ruhestellung (B=L, D=H) umgesteuert. Die Durchschaltegatter
G1 und G2 werden demzufolae gesperrt. Die dem Phasendetektor PDT zugeführten Signale
R' und V' sind im H-Zustand.
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Im Zeitpunkt t13 folgt die erste Anstiecrsflanke# des wiedereinsetzenden
Bezugssignals R, so daß die Monoflop-Schaltung MF wieder die Stellung mit dem H-Zustand
am Ausgang Q einnimmt. Ist der Punkt Q im H-Zustand und steht das Vergleichs-.
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signal V an, dann tritt am Punkt A eine Abfallflanke zum Zeitpunkt
t15 auf. Da zu diesem Zeitpunkt am Eingang des Gatters G4 das dem H-Zustand des
Punktes Q entsprechende Potential anliegt, wird durch die Abfallflanke am Punkt
A das K£ppglied wieder in seine Arbeitsstellung zurückgestellt.
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Dabei tritt zunächst am Punkt B im Zeiptunkt t16 eine Anstiegsflanke
auf und eine Gatterlaufzeit später zum Zeitpunkt t17 eine Abfallflanke am Punkt
D. Schließlich tritt wiederum eine C,atterlaufzeit später im Zeitpunkt t18 a Eingang
des Durchschaltegatters Cl (Punkt E) eine Anstiegsflanke auf. Durch den dem Eingang
parallelgeschaltete RXondensator C1 kann letztere Gatterlaufzeit relativ groß emacht
werden. Bei dieser Reihenfolge der Peqelübergänge ist gewährleistet, daß zuerst
am Punkt B des Durchschaltegatters G2 das dem H-Zustand entsprechende Potential
anliegt (Zeitpunkt tl6) und erst zwei Gatterlaufzeiten später (Zeitpunkt t18) an
dem Punkt E des Durchschaltegatters Cl. Andererseits ist auch gewährleistet, daß
in diesen Zeitpunkten t16 und t18 am Durchschaltegatter 1 das Bezugssignal R und
am
Durchschaltegatter G2 das Vergleichssignal V ansteht.
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iese beiden Schaltzustände an den Durchschalteqattern 1.
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und (,2 waren ja Voraussetzung, daß die Abfallflanke am Punkt A zum
Zeitpunkt t15 überhaupt auftrat. Diese Abfallflanke am Punkt A hatte ja die Kippschaltunq
in die Arbeitsstellung gebracht. Damit ist die Zielsetzung erreicht, daß nach dem
Wiedereinsetzen des Bezugssignals R zuerst die Ab-Abfallflanke des Vergleichssignals
V dem Phasendetektor PDT zugeführt wird und erst danach die Abfallflanke des Bezugs'-signals
R, und dies unabhängig von der Phasenbeziehung zwischen dem Bezuassignal R und dem
Vergleichssignal V.
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Im eingeregelten Zustand bringt die Korrekturschaltung KS keine Ungenauigkeit
für die Phasenlage, da die beiden Signal R und V über gleichartige Durchschaltegatter
G1 und G2 durchgeschaltet werden. Aufgrund der inneren Laufzeiten des Phasendetektors
PDT genügt es, wenn die beiden aktiven Abfallflanken des Vergleichssignals V' im
Zeitpunkt t19 und des Bezugssignals R' im Zeitpunkt't20 gleichzeitig angelegt werden.
Beim Ausgangszustand PU=H und PD-L wird nämlich die Abfallflanke des Bezugssignals
R' selbst dann noch als späte Flanke ausqewertet, wenn sie ungefähr eine Gatterlaufzeit
vor der aktiven Abfallflanke des Vergleichssignals V' auftritt.
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Selbstverständlich kann auch der dem Vergleichssignal V zugeordnete
Eingang der Korrekturschaltung KS in gleicher Weise überwacht werden.