TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Phasenverriegelschleife mit
variabler Bandbreite, welche einen gesteuerten Oszillator zur
Erzeugung eines Signals variabler Frequenz aufweist, eine
PhaSenvergleichsvorrichtung, eine Filterschaltung, die
zumindest ein Widerstandselement und ein Kapazitätselement
aufweist, eine steuerbare erste und zweite
Stromerzeugungsvorrichtung, von denen jede so aufgebaut ist,
daß sie einen positiven oder einen negativen, gepulsten Strom
in Reaktion auf Ausgangssignale von der
Phasenvergleichsvorrichtung erzeugt, wobei die erste
Stromerzeugungsvorrichtung einen Ausgang aufweist, der an
einen ersten Punkt in der Filterschaltung angeschlossen ist,
und die zweite Stromerzeugungsvorrichtung einen Ausgang
aufweist, der an einen zweiten Punkt in der Filterschaltung
angeschlossen ist, wobei die Schleife weiterhin eine
Steuervorrichtung zum Steuern der Amplituden der Ströme
aufweist.
STAND DER TECHNIK
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Bei einer Phasenverriegelschleife hängt die Geschwindigkeit,
mit welcher Frequenzänderungen und Frequenzkorrekturen
durchgeführt werden können, von der Bandbreite der Schleife
ab. Diese wiederum hängt unter anderem von dem Filter ab,
welches in der Schleife vorgesehen ist, wobei der Zweck
dieses Filters darin besteht, eine Tiefpassfilterung einer
Steuerspannung vorzunehmen, die zur Steuerung der
Oszillatorfrequenz gebildet wird. Die Tiefpassfilterung der
Steuerspannung ist dazu erforderlich, um einen Spannungsbrumm
und sich ergebende, ungewünschte Anderungen der Frequenz des
Oszillatorausgangssignals zu vermeiden. In der Praxis
bedeutet allerdings die Filterung der Steuerspannung, daß die
Geschwindigkeit, mit welcher gewünschte Anderungen der
Frequenz des Oszillatorsignals vorgenommen werden können, für
bestimmte Einsatzzwecke zu niedrig ist. Das Filter kann
beispielsweise aus einem in Reihe mit einem Kondensator
geschalteten Widerstand bestehen. Der Widerstand wird
normalerweise als Dämpfungswiderstand bezeichnet, da sein
Zweck darin besteht, die Neigung der Schleife zu dämpfen, in
Reaktion auf Transientenänderungen oszillierend zu
überschwingen und zu unterschwingen. Während er zwar die
Schleifenstabilität verbessert begrenzt der
Dämpfungswiderstand die Geschwindigkeit, mit welcher
Spannungsänderungen und daher Frequenzänderungen durchgeführt
werden können. Ein Verfahren, welches eine schnelle
Durchführung der Frequenzänderungen ermöglicht, oder eine
schnelle Korrektur großer Phasenfehler, besteht darin, die
Schleifenbandbreite zu vergrößern, wenn derartige Änderungen
durchgeführt werden sollen, und daraufhin die Bandbreite auf
einen Standard-Bandbreitenwert zu verringern.
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Die Erhöhung der Bandbreite der Schleife, wenn schnelle
Frequenzänderungen erforderlich sind, stellt ein
wohlbekanntes Verfahren dar, jedoch besteht die bei diesem
Verfahren auftretende, wohlbekannte Schwierigkeit darin,
einen Transientenfehler oder eine "Störspitze" zu vermeiden,
wenn die Schleifenbandbreite auf ihren Ursprungswert
zurückgeschaltet wird, nachdem sich die Schleife beruhigt
hat.
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Ein Verfahren zur Erzielung störspitzenfreier
Schleifenbandbreitenänderungen durch Verwendung zweier
Ladungspumpen, die abwechselnd gesteuert werden, ist in dem
US-Patent 4 167 711 beschrieben. Bei diesem Stand der Technik
besteht das Schleifenfilter aus zwei Widerständen und einem
Kondensator, die in Reihe geschaltet sind. Eine erste, mit
zwei Stromgeneratoren versehene Ladungspumpe weist einen
Ausgang auf, der mit dem Kondensator des Filters über zwei
Widerstände verbunden ist. Der Ausgang einer zweiten
Ladungspumpe, welche zwei Stromgeneratoren aufweist, ist an
den Filterkondensator über nur einen der Widerstände
angeschlossen. Die Ladungspumpen werden so gesteuert, daß
dann, wenn eine kleine Schleifenbandbreite gewünscht ist, die
Amplitude der Ströme von der zweiten Ladungspumpe gleich Null
ist, also nur die erste Ladungspumpe dann aktiv ist. Wenn
eine große Schleifenbandbreite gewünscht ist, so herrscht der
entgegengesetzte Zustand, bei welcher daher nur die zweite
Ladungspumpe dann aktiv ist.
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Die Schleifenbreite kann geringfügig durch Variation der
Amplitude des Stroms von der ersten oder zweiten Ladungspumpe
variiert werden. Dies erklärt sich durch die Tatsache, daß
die Schleifenbandbreite von dem Strom anhängt, der durch den
Filterkondensator fließt. Der sogenannte Dämpfungsfaktor der
Schleife führt zu einem Optimalwert für eine vorgegebene
kleine Schleifenbandbreite und eine vorgegebene große
Schleifenbandbreite, infolge der Tatsache, daß der
Dämpfungsfaktor von dem Produkt der vorherrschenden
Stromstärke und auch dem Widerstandswert des Widerstands
abhängt, durch welchen der Strom fließt. Daher ist es
möglich, die Schleifenbandbreite geringfügig um einen großen
bzw. kleinen Wert zu variieren, ohne den Dämpfungsfaktor
übermäßig zu beeinträchtigen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
Bereitstellung einer Phasenverriegelschleife der eingangs
beschriebenen Art, bei welcher die Bandbreite kontinuierlich
variiert werden kann, ohne die Schleifenstabilität zu
beeinträchtigen. Dies wird durch Erhöhung der Amplitude der
Ströme von sowohl der ersten als auch zweiten
Stromerzeugungsvorrichtung erzielt, wenn die
Schleifenbandbreite vergrößert wird. Auf diese Weise sind
beide Vorrichtungen aktiv, zumindest dann, wenn eine größere
Schleifenbandbreite als die niedrigste, verwendete Bandbreite
gewünscht ist. Die Amplituden der Ströme von den beiden
Stromerzeugungsvorrichtungen werden verringert, wenn eine
Verringerung der Bandbreite gewünscht ist. Auf diese Weise
ist es möglich, die Bandbreite und den Dämpfungsfaktor
unabhängig voneinander zu steuern, was es ermöglicht, die
Bandbreite kontinuierlich zwischen einem großen und einem
kleinen Wert zu variieren, während der Dämpfungsfaktor
beibehalten wird.
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In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß es vorteilhaft
ist, eine von der Einrichtung zur Variation der
Schleifenbandbreite getrennte Einrichtung zur Variation des
Dämpfungsfaktors zu haben, wenn die Schleifeneigenschaften
aus anderen Gründen als zur Erzielung schneller
Frequenzänderungen variiert werden sollen.
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Die charakteristischen Merkmale der Erfindung sind in den
folgenden Patentansprüchen angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
Figur 1 ein Blockschaltbild einer konventionellen
Phasenverriegelschleife ist, die eine gesteuerten Oszillator
aufweist; Figur 2 mit mehr Einzelheiten eine vorbekannte
Vorrichtung darstellt, die in der in Figur 1 dargestellten
Schleife enthalten ist und so arbeitet, daß sie eine
gefilterte Oszillatorsteuerspannung erzeugt; und die Figuren
3 und 4 zwei beispielhafte Ausführungsformen von
Vorrichtungen darstellen, welche so arbeiten, daß sie eine
gefilterte Oszillatorsteuerspannung zur Verfügung stellen,
und welche so angeordnet sind, daß sie eine Variation der
Schleifenbandbreite ermöglichen, gemäß der vorliegenden
Erfindung.
DIE BESTEN AUSFÜHRUNGSARTEN DER ERFINDUNG
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Figur 1 ist ein erläuterndes Blockschaltbild, welches eine
konventionelle Phasenverriegelschleife darstellt. Die
Bezugsziffer 14 bezeichnet einen gesteuerten Oszillator,
beispielsweise einen sogenannten VCC (spannungsgesteuerten
Oszillator). Die Frequenz des Oszillatorausgangssignals wird
in einem Frequenzteiler 15 her untergeteilt, und ein Signal
mit der heruntergeteilten Frequenz wird an eine
Phasenvergleichsvorrichtung 12 angelegt. Ein Bezugssignal
wird an einen Frequenzteiler 11 angelegt, welcher (ähnlich
wie der Frequenzteiler 15) mit der
Phasenvergleichsvorrichtung 12 verbunden ist. Die Frequenzen
des Oszillatorsignals und des Bezugssignals werden auf
bekannte Weise heruntergeteilt, abhängig von der gewünschten
Frequenz des Oszillatorsignals. Die
Phasenvergleichsvorrichtung 12 erzeugt gepulste Signale an
zwei Ausgängen, die an eine Vorrichtung 13 angeschlossen
sind, die so arbeitet, daß sie eine gefilterte Steuerspannung
erzeugt, die an den Oszillator 14 angelegt wird.
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Die beiden an die Phasenvergleichsvorrichtung 12 angelegten
Signale bestehen aus Ketten kurzer Impulse. Wenn die Impulse
in den beiden Impulsketten gleichzeitig auftreten, so werden
kurze Impulse an den beiden Ausgängen erzeugt. Wenn die
Impulse nicht gleichzeitig auftreten, so werden kurze Impulse
an einem der Ausgänge erzeugt, wogegen an dem anderen Ausgang
solche Impulse erzeugt werden, deren Breite Proportional zur
Zeitdifferenz zwischen den Impulsen in der einen Impulskette
und den Impulsen in der anderen Impulskette ist. Wenn sich
die Zeitdifferenz zwischen den Impulsen der einen Impulskette
kontinuierlich ändert, im Vergleich mit den Impulsen in der
anderen Impulskette, also wenn die Impulsfrequenzen
voneinander verschieden sind, so werden an dem einen Ausgang
kurze Impulse erzeugt, und an dem anderen Ausgang Impulse
erzeugt, die eine aufeinanderfolgend zunehmende Impulsbreite
aufweisen. Wenn die Impulsbreite einen Maximalwert erreicht
hat, so wird eine neue Folge aufeinanderfolgend zunehmender
Impulsbreiten der Impulse erzeugt. Welcher der Ausgänge kurze
Impulse erzeugt, und welcher dieser Ausgänge lange Impulse
erzeugt, wird dadurch festgelegt, ob die Impulse in dem
Tmpulszug, der von dem Bezugssignal abgeleitet ist, vor oder
nach den Impulsen in dem Impulszug ankommen, der von dem
Oszillatorsignal abgeleitet ist.
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Figur 2 zeigt ein Beispiel für ein bekanntes Verfahren, das
bei der Vorrichtung 13 eingesetzt wird, deren Funktion darin
besteht, eine gefilterte Oszillatorsteuerspannung zu
erzeugen. Diese Vorrichtung weist zwei Stromgeneratoren 21,
22 sowie einen Filter auf, welches aus einem in Reihe mit
einem Kondensator 24 geschalteten Widerstand 23 besteht. In
der Praxis kann jedoch die Vorrichtung 13 mehr
Filterschaltungen als die Filter 23, 24 aufweisen. Diese
weiteren Schaltungen können sowohl links als auch rechts des
dargestellten Filters angeordnet sein.
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Wenn der Stromgenerator 21 aktiviert wird, so wird dem Filter
ein positiver Strom zugeführt, und wenn der Stromgenerator 22
aktiviert wird, so wird dem Filter ein negativer Strom
zugeführt. Daher steigt die Spannung über dem Kondensator 24
an, wenn der Stromgenerator 21 aktiviert wird, und nimmt ab,
wenn der Stromgenerator 22 aktiviert wird. Die
Phasenvergleichsvorrichtung 12 in Figur 1 soll so arbeiten,
daß der Stromgenerator 21 aktiviert wird, wenn die Impulse in
der von dem Bezugssignal abgeleiteten Impulskette vor den
Impulsen in der von dem Oszillatorsignal abgeleiteten
Impulskette ankommen. Dies führt zu einer Erhöhung der
Frequenz des Oszillatorsignals. In anderen Fällen wird der
Stromgenerator 22 aktiviert, um die Frequenz des
Oszillatorsignals zu verringern.
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Die voranstehend geschilderte Filterung des
Oszillatorsteuersignals führt dazu, daß es nicht immer
möglich ist, ausreichend schnell Frequenzänderungen und
Phasenkorrekturen durchzuführen, wie voranstehend bereits
erläutert wurde.
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Figur 3 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Erzeugung einer gefilterten Steuerspannung
zum Liefern an den Oszillator, wobei diese Vorrichtung so
aufgebaut ist, daß sie eine Variation der Schleifenbandbreite
ermöglicht, gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung
weist zwei Stromgeneratoren 21, 22 sowie ein Filter 23, 24
auf, welche mit entsprechenden Einheiten in Figur
2übereinstimmen, jedoch mit dem Unterschied, daß die
Stromgeneratoren gesteuert werden können, um so auch eine
Steuerung der Amplitude der Ströme zu ermöglichen. Die
dargestellte Vorrichtung weist weiterhin ein zweites Paar an
Stromgeneratoren 25, 26 auf. Diese Generatoren sind an den
Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 23 und dem
Kondensator 24 angeschlossen, also an einen Punkt in dem
Filter, der sich von dem Punkt unterscheidet, mit welchem die
Stromgeneratoren 21, 22 verbunden sind. Die Stromgeneratoren
24, 26 sind ebenfalls steuerbar, um so zu ermöglichen, daß
die Amplitude der Ströme variiert wird. Die Amplituden der
Ströme von den Stromgeneratoren 21, 22 und 25, 26 werden
paarweise von einer Steuervorrichtung 27 gesteuert,
unabhängig voneinander, wie aus der Figur unmittelbar
deutlich wird. Weiterhin macht die Figur deutlich, daß der
Stromgenerator 25 durch dieselbe Impulskette aktiviert wird
wie der Stromgenerator 21. Die Stromgeneratoren 22 und 26
werden ebenfalls durch eine und dieselbe Impulskette
aktiviert.
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Da das zweite Paar der Stromgeneratoren 25 und 26 dazu führt,
daß Strom nur durch den Kondensator fließt, und nicht durch
den Widerstand, ist es möglich, die durch den Kondensator
fließende Strommenge unabhängig von der durch den Widerstand
fließenden Strommenge festzulegen, und daher dem Kondensator
bei Geschwindigkeiten, die nicht durch den Widerstand
eingeschränkt werden, zu laden oder zu entladen.
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Während jener Zeiträume, in welchen eine kleine
Schleifenbandbreite erwünscht ist, kann es sinnvoll sein, die
Amplitude der Ströme auf Null zu setzen, die von den
Stromgeneratoren 25, 26 des zweiten Paares abgeleitet werden,
also nicht diese Stromgeneratoren zu verwenden. Während
dieser Zeiträume arbeitet die in Figur 3 dargestellte
Vorrichtung grundsätzlich auf dieselbe Weise wie die in Figur
2 gezeigte, bekannte Vorrichtung. Da die Amplituden steuerbar
sind ist es jedoch möglich, daß die von den Stromgeneratoren
21, 22 abgeleiteten Ströme schwächer sein können als es im
Falle der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung möglich ist.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung ist es möglich,
die Schleifenbandbreite und den Dämpfungsfaktor unabhängig
voneinander festzulegen. Daher kann die Schleifenbandbreite
variiert werden, während gleichzeitig der Dämpfungsfaktor und
die Schleifenstabilität aufrecht erhalten wird, durch
Variieren der Stromstärke der Stromgeneratoren auf geeignete
Weise. Es wird nunmehr angenommen, daß die Ströme von dem
ersten Paar der Stromgeneratoren 21, 22 im Normalfall einen
niedrigen Wert 10 aufweisen, und daß die Ströme von dem
zweiten Paar 25, 26 den Wert 0 aufweisen. Ist eine große
Schleifenbandbreite gewünscht, beispielsweise während
Frequenzänderungen, so werden die Ströme von dem ersten Paar
der Stromgeneratoren auf geeignete Weise von dem niedrigen
Wert 10 auf einen höheren Wert I1 geändert, mit Hilfe von
Steuersignalen von der Steuervorrichtung 27, wogegen die
Ströme von dem zweiten Paar der Stromgeneratoren von 0 auf
eine Wert I2 geändert werden, der vorzugsweise höher ist als
I1. Es läßt sich zeigen, daß die Bandbreite um einen Faktor N
erhöht wird, wenn der Strom I1 den Wert N x I0 annimmt, und
der Strom I2 den Wert N x (N-1) x 10 annimmt. Die zur
Durchführung einer Frequenzänderung erforderliche Zeit wird
auf diese Weise um einen Faktor N verringert.
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Die Ströme werden auf ihre Normalwerte zurückgeführt, mit
Hilfe der Steuersignale von der Steuervorrichtung 27, wenn
erneut eine kleine Schleifenbandbreite gewünscht ist. In
Zusammenhang mit einer Frequenzänderung tritt dies
beispielsweise dann auf, wenn der in der
Phasenvergleichsvorrichtung 12 erfaßte Phasenfehler unterhalb
eines vorgegebenen Wertes liegt, oder einfach dann, wenn nach
Beginn der Frequenzänderung ein vorbestimmter Zeitraum
verstrichen ist.
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Zu gewissen Zeiten kann es sinnvoll sein, die
Schleifenbandbreite aufeinanderfolgend zu variieren. Wie
voranstehend erläutert, werden die Bandbreite und der
Dämpfungsfaktor unabhängig voneinander gesteuert, unter
Zuhilfenahme der gleichzeitigen Ströme von den beiden Paaren
an Stromgeneratoren. Die Bandbreite wird daher durch den
kombinierten Strom durch den Kondensator bestimmt, und der
Dämpfungsfaktor wird durch den Strom durch den Widerstand
bestimmt. Letzterer rührt nur von den Stromgeneratoren 21, 22
her.
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Figur 4 zeigt eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der
Vorrichtung zur Erzeugung der gefilterten Steuerspannung, die
an den Oszillator angelegt wird, und einen Teil der
erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet. Bei dieser
Ausführungsform weist die Vorrichtung drei Paare an
Stromgeneratoren 31-36 und ein komplizierteres Filter auf als
die voranstehend beschriebene und dargestellte
Ausführungsform. Das Filter weist drei Widerstände 37-39 auf,
und drei Kondensatoren 40-42. Bei jedem der Kondensatoren ist
dessen eine Klemme an Masse angeschlossen, und jedes der drei
Paare von Stromgeneratoren ist mit einer jeweiligen zweiten
Klemme der Kondensatoren verbunden. Die drei oberen
Stromgeneratoren 31, 33, 35 werden durch das selbe Signal
aktiviert, und die drei unteren Kondensatoren 32, 34, 36
werden durch ein einziges Signal aktiviert, obwohl dies in
der Figur nicht gezeigt ist. In diesem Fall ist auch eine
Steuervorrichtung eingeschlossen, welche der
Steuervorrichtung 27 der Ausführungsform von Figur 3
entspricht, und so arbeitet, daß sie die Amplitude der Ströme
steuert, die von den Stromgeneratoren erzeugt werden. Auch
dies wurde nicht in der Figur dargestellt.
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In einem normalen Fall, also wenn eine kleine
Schleifenbandbreite gewünscht ist, werden beispielsweise nur
die Stromgeneratoren 35, 36 oder die Stromgeneratoren 33,34
verwendet. Falls eine große Bandbreite gewünscht ist, so
werden zwei Paare oder alle drei Paare der Stromgeneratoren
verwendet. Insbesondere die Stromgeneratoren 31, 32 stellen
eine schnelle Spannungsänderung der Steuerspannung zur
Verfügung, die von der Filterschaltung erzeugt wird. Es
lassen sich jedoch auch andere Möglichkeiten denken. Die
Bandbreite kann in diesem Fall auch kontinuierlich zwischen
einem niedrigen und einem hohen Wert mit einem beibehaltenen
Dämpfungsfaktor variiert werden, und zwar dadurch, daß
mehrere Paare von Stromgeneratoren zum selben Zeitpunkt aktiv
sind.
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Es ist denkbar, daß man die zusätzlichen Stromgeneratoren,
beispielsweise 25 und 26 in Figur 3, auch Ströme erzeugen
läßt, wenn kleine Schleifenbandbreiten gewünscht sind. Die
Amplitude dieser Ströme sollte daher erheblich kleiner sein
als dann, wenn große Bandbreiten gewünscht sind.
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Wenn die Schleifenbandbreite sukzessiv geändert werden soll,
so werden die Amplituden der unterschiedlichen Stromimpulse
geändert, beispielsweise in mehreren Stufen, mit einer Stufe
für jeden Stromimpuls. Jede derartige Amplitudenänderung wird
vorzugsweise in dem Intervall zwischen zwei Stromimpulsen
durchgeführt, wodurch ungewünschte Spannungsänderungen in dem
Oszillatorsteuersignal vermieden werden können.
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Es wird deutlich, daß es ebenfalls denkbar ist, auf geeignete
Weise jedes der Stromgeneratorpaare durch einen einzelnen
Stromgenerator zu ersetzen, der mit Hilfe von Steuersignalen
dazu veranlaßt werden kann, entweder einen positiven oder
einen negativen Strom an einen vorbestimmten Punkt zu
liefern.
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Jeder Stromgenerator kann auch durch eine Spannungsquelle
ersetzt werden, die eine Anzahl an Widerständen aufweist,
welche auf geeignete Weise mit Hilfe von Steuersignalen
aktiviert werden können.
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Es ist ebenfalls möglich, drei oder mehr Paare an
Stromgeneratoren einzusetzen, ohne sämtliche Generatorpaare
an unterschiedliche Punkte in der Filterschaltung
anzuschließen. Allerdings müssen immer zumindest zwei dieser
Paare mit unterschiedlichen Punkten verbunden sein.
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Darüber hinaus kann die Phasenvergleichsvorrichtung zur
Erzeugung von Impulsen auf unterschiedliche Weise als
voranstehend beschrieben ausgebildet sein.