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Schaltung zur Frequenzdemodulation und/oder zur Erzeugung einer von
Frequenzänderungen abhängigen Regelgröße Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur
Frequenzdemodulation und/oder zur Erzeugung einer von Frequenzänderungen einer Trägerwelle
abhängigen Regelgröße.
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Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck die entsprechend den Frequenzänderungen
auftretenden Phasendrehungen auszunutzen, welche eine Spannung erfährt, die an einem
auf die mittlere Arbeitsfrequenz abgestimmten Schwingungskreis von der zu demodulierenden
oder zu überwachenden Schwingung erzeugt wird. Diese Spannung von veränderlicher
Phasenlage wird zusammen mit einer zweiten um go ° gegenüber der ursprünglichen
Schwingung phasenverschobenen Spannung einer Modulatoranordnung, beispielsweise
einem Diodengegentaktmodulator oder einer an zwei Gittern steuerbaren Mischröhre,
zugeführt. Bei den bekannten Schaltungen dieser Art hat man den abgestimmten Schwingungskreis
als Parallelresonanzkreis an den Anodenkreis einer Röhre gelegt, deren Steuer-Bitter
die Trägerschwingung zugeführt wurde. Die Erzeugung der notwendigen Spannung mit
9o ° Phasenverschiebung wurde auf verschiedene Weise vorgenommen.
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Eine Schaltung der bekannten Art ist in Abb. i dargestellt. Am Steuergitter
der Röhre i liegt die bei 2 zugeführte Schwingung veränderlicher Frequenz. Der Modulator
3 erhält zwei Eingangsspannungen, nämlich vom Schwingungskreis L1, Cl die phasenveränderliche
Spannung U1 und über das phasendrehende Glied 4 die Spannung U2. In Abb. 2 ist die
Arbeitsweise dieser bekannten Schaltung in einem Vektorbild dargestellt. Der Endpunkt
des Vektors U1 durchläuft bekanntlich in Abhängigkeit von der Verstimmung den dargestellten
Kreis. U3 als Demodulationsergebnis ist nichts anderes als die Projektion von U1
auf den Vektor U2. Die sich ergebende Demodulationskennlinie bzw. Regelspannungskurve
ist in Abb. 3 dargestellt, in welcher in der Abszissenachse die Verstimmung, multipliziert
mit
der Kreisgüte @, in der Ordinatenachse U3 aufgetragen ist.
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Man erkennt, daß zwischen dem positiven und negativen Umkehrpunkt
ein für die Frequenzdemodulation brauchbarer Arbeitsbereich liegt, und zwar ist
die Breite dieses Bereichs abhängig von der Güte des verwendeten Parallelresonanzkreises,
denn je größer die Kreisgüte ist, desto schmaler ist ja der Verstimmungsbereich,
in welchem sich der sogenannte Phasensprung beim Durchlaufen der Resonanzfrequenz
vollzieht. Wenn e die Kreisgüte und v die Verstimmung ist, so liegen die Umkehrpunkte
in Abb.3 bei e - v = ± i. Wenn also v entsprechend einem gegebenen Frequenzhub
oder einer bestimmten zu erwartenden Frequenzänderung vorgegeben ist, so ist der
Benutzer der bekannten Schaltung hinsichtlich der Wahl der Kreisgüte nicht mehr
frei. Er muß diese entsprechend wählen, um die aus Abb.3 abgeleitete Bedingung zu
erfüllen. Dabei muß er zur Erfassung großer relativer Verstimmungen einen Kreis
von entsprechend geringer Güte verwenden.
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Es hat sich nun bei eingehender Untersuchung der an derartige Frequenzdiskriminatoren
bzw. Demodulatoren zu stellenden Anforderungen herausgestellt, daß die Verwendung
eines Kreises von geringer Güte hier wesentliche Nachteile mit sich bringt. Besonders
ist die Lage des Nullpunkts, in welchem in Abb. 3 die Kurve U3 durch Null geht,
nicht genügend fixiert, wie eine weitere Überlegung zeigen soll.
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Aus Abb. 2 erkennt man, daß der Nullpunkt dort liegt, wo die Projektion
von Ur auf U, verschwindet, d. h. wo y = 9o ° ist. Wenn nun U$ mit einem Phasenfehler
d y behaftet ist, so ist der Nullpunkt dadurch verlagert, und zwar, wie die
Rechnung ergibt, um v = d V/e, wobei e wieder die Güte des Kreises ist. Hieraus
ergibt sich zweierlei, nämlich i. daß eine konstante Resonanzfrequenz des Schwingungskreises
noch keine unveränderliche Lage des Nulldurchgangs gewährleistet, und 2. daß die
Nullpunktverschiebung durch Phasenfehler von U$ der Kreisgüte. umgekehrt proportional
ist.
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Aus dieser für die Erfindung wesentlichen Überlegung ergibt sich die
Wichtigkeit der Verwendung eines Kreises hoher Güte, da die feste Lage des Nullpunkts
für alle Diskriminator= und Demodulatoranordnungen von fundamentaler Bedeutung ist.
Diese Forderung steht j edoch bei den bekannten Schaltungen mit Parallelresonanzkreisen
im Gegensatz zu der Notwendigkeit, die Kreisgüte mit Rücksicht auf den Bereich der
zu erfassenden Verstimmungen v verhältnismäßig niedrig festzulegen. Auf Grund der
Erkenntnis dieser Zusammenhänge wird daher erfindungsgemäß in einer derartigen Schaltung
zur Frequenzdemodulation oder zur Erzeugung einer von Frequenzänderungen einer Trägerwelle
abhängigen Regelgröße, in welcher eine aus der zu demodulierenden bzw. zu überwachenden
Schwingung an einem auf die mittlere Frequenz abgestimmten Schwingungskreis erzeugte
Spannung und eine von der Schwingung mit 9o ° Phasenverschiebung abgeleitete Spannung
einer Modulationsanordnung zugeführt werden, als abgestimmter Schwingungskreis ein
Serienresonanzkreis verwendet.
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Diese Verwendung eines Serienresonanzkreises steht im Gegensatz zu
der bisherigen Praxis. Man hat den Parallelresonanzkreis bevorzugt als diejenige
der gebotenen Möglichkeiten, welche ohne weiteres eine günstige Anpassung an die
Innenwiderstände normaler Verstärkerröhren ergab. Dabei war es möglich, den Parallelresonanzkreis
unmittelbar in den Anodenkreis zu legen, wobei sich günstige Verstärkungsziffern
ergaben und außerdem die Gleichstromspeisung der Anode über die Schwingkreisspule
geführt werden konnte. Diese offenbar zutage liegenden kleinen Vorteile haben die
Fachwelt bewogen, bei der Verwendung von Parallelkreisen an dieser Stelle zu beharren.
Der tieferliegende bedeutende Vorteil, der in der Freiheit der Wahl eines beliebig
hohen Produkts e - v besteht, gewährt bei Anwendung der Erfindung die Möglichkeit,
Demodulator- bzw. Diskriminatorschaltungen aufzubauen, welche eine bessere Stabilität
des Nulldurchganges sowie auch bessere Linearität der Arbeitsweise aufweisen. Sie
gewährt besonders die Möglichkeit der Verwendung von Kreisen hoher Güte, wie sie
durch piezoelektrische Kristalle dargestellt werden können.
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Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß eine Schaltung zur Entwicklung
einer Regelspannung in Abhängigkeit von Frequenzänderungen bekannt ist, in welcher
eine auf die mittlere Frequenz abgestimmte Reihenschaltung einer Induktivität und
einer Kapazität verwendet wurde. Bei dieser Schaltung handelt es sich jedoch nicht
um einen Phasendiskriminator, sondern um ein einfaches Verfahren mit Amplitudenvergleich
der von der Induktivität und Kapazität entnommenen und getrennt gleichgerichteten
Spannungen. Bei dieser bekannten Schaltung ist es außerdem erforderlich, eine Anzapfung
zwischen der Spule und dem Kondensator vorzusehen.
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Bei der Schaltung gemäß der Erfindung ist keine solche Anzapfung erforderlich.
Gegebenenfalls kann in der Schaltung nach der Erfindung der ganze den Serienkreis
bildende Schaltungskomplex in einen geschlossenen Abschirmbehälter oder auch in
einen Thermostaten eingebaut werden, aus welchem nur die beiden Anschlußklemmen
herauszuführen sind. Kapazitätsänderungen parallel zu diesen Klemmen ergeben jedoch
nicht, wie beim Parallelkreis, eine Verlagerung der Nullstelle. Die Nullstelle ist
vielmehr beim Serienkreis durch die Serienresonanz festgelegt. Dies ist ein weiterer
wesentlicher Vorteil der Schaltung gemäß der Erfindung.
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Abb. 4 zeigt eine einfache Schaltung, in welcher die Erfindung benutzt
ist. Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugsziffern benannt wie
in Abb. i. Die Ableitung der phasenveränderlichen Spannung Ur erfolgt am Serienresonanzkreis
L2, C2. Die Anodenspannung für die Röhre i wird über die Drosselspule 5 zugeführt.
Abb. 5 ist das Vektorbild, aus welchem die Arbeitsweise der Schaltung gemäß der
Erfindung entnommen werden kann. Die Ortskurve für das Ende des Vektors U1 ist die
Gerade K. U3 ist wieder dargestellt als Projektion von U1 auf die Richtungsgerade
von U2. Die sich ergebende Diskriminator-bzw. Demodulatorkurve für U3 hat jetzt
keine Umkehrpunkte mehr, da sie über die Tangensfunktion mit dem Phasenwinkel zy
zusammenhängt. Daher ist der ausnutzbare Bereich auch nicht auf die Werte von e
- v zwischen + i und - i beschränkt, oder anders ausgedrückt
darf
eO - v grundsätzlich beliebig gewählt werden, so daß eine bessere Anpassung der
Schaltung an den Verwendungszweck möglich ist.
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Für einen Diskriminator zur Regelspannungserzeugung, z. B. zur automatischen
Nachstimmsteuerung bei einem Ultrakurzwellenrundfunksender, ist die Unveränderlichkeit
der Nullstelle die Hauptbedingung. Für diesen Zweck wird man daher die Kreisgüte
so hoch wie möglich wählen, z. B. einen piezoelekti ischen Kristall in seiner Serienresonanz
verwenden; damit wird dann die Empfindlichkeit der Lage der Nullstelle gegen Phasenfehler
um Größenordnungen günstiger als beim Parallelkreis. Bei der Anwendung eines Kristalls,
beispielsweise eines Quarzkristalls, als Serienkreis kann man also seine besonderen
Eigenschaften, nämlich die hohe Konstanz und die hohe Kreisgüte, zugleich ausnutzen.'
Da O . io5 erreichbar ist, kann man auch bei größeren Phasenfehlern von U2 (vgl.
Abb.2) relative Verstimmungen der Nullstelle von v < io-' einhalten.
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Es sei nun zunächst weiter auf den Fall eingegangen, daß ein Diskriminator
hoher Konstanz mittels eines Quarzkristalls entsprechend der Erfindung aufgebaut
werden soll. Bekanntlich hat ein Quarz nicht nur eine Serienresonanz, sondern infolge
der unvermeidlichen Parallelkapazität auch eine Parallelresonanz in der Nähe der
Serienresonanz. Dadurch ist der Verlauf des Blindwiderstandes in der Umgebung der
Serienresonanz nicht mehr symmetrisch. Um diese Symmetrie herzustellen und auch
um den Abstand zwischen Serien- und Parallelresonanz zu vergrößern, wird die Parallelkapazität
durch eine parallel geschaltete Induktivität ergänzt. Dann ergibt sich für den Quarzkreis
das in den Abb. 6a, 6b dargestellte Schema. Die Kreiskonstanten des Quarzes seien
Co, L, Ra. Der Parallelkreis hat die entsprechenden Werte Rp, C, und LP.
Beiderseits der Serienresonanz liegt jetzt eine Parallelresonanz, und zwar ist deren
Verstimmung gegen die Serienresonanz VO = yco/Cp. Abb.7 zeigt eine Schaltung
mit einem Quarzdiskriminator nach Abb. 6a bzw. 6b. Teile, die mit solchen aus früheren
Abbildungen übereinstimmen, sind wieder mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Ganz allgemein sind für das'Verständnis der Wirkung der Erfindung unwesentliche
Teile, z. B. Gitterableitwiderstände und die Zuleitungen zu Schirm- und Fanggittern,
in den Zeichnungen weggelassen, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen. In Abb.7 ist
als Modulator eine an zwei Gittern gesteuerte Hexode 3 verwendet, an deren Anodenkreis
U3 dem Anodengleichstrom überlagert entnommen werden kann.
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Abb. 8 zeigt eine Schaltung, in welcher eine Diodengegentaktdemodulation
angewendet ist, wobei die Regelspannung U,, ohne überlagerte Gleichspannungskomponente
gewonnen wird. Bei 2 wird die frequenzmodulierte Schwingung f o zugeführt, die in
der schon beschriebenen Schaltung mit den Röhren i und 3 demoduliert wird. Dabei
wird aber die zur Blindspannung am Quarz gleichphasige Komponente Uz, gegen die
demoduliert wird, vorher noch mit einer Hilfsfrequenz ft, amplitudenmoduliert. Die
in der Mischröhre entstehende positive oder negative Stromänderung ist dann ebenfalls
mit f $ moduliert. Im Anodenkreis der Röhre 3 erscheint also U3 mit f R moduliert
und weist die Nachricht als Amplitudenmodulation auf, welche f" als Frequenzmodulation
trägt. In der Röhre 7 erfolgt eine Verstärkung von U3, und darauf folgend wird in
einem Gegentaktdemodulator in an sich bekannter Weise mit den Dioden 8 und 9 eine
Demodulation gegen eine in der richtigen Phasenlage von dem Generator 6 her den
beiden Dioden im Gleichtakt zugeführte Spannung von f $ durchgeführt. Durch diese
Umsetzung der Demodulation auf eine geeignet gewählte, vorzugsweise tiefe Hilfsfrequenz
ist es leichter, schädliche Kopplungen der miteinander zu modulierenden Spannungen
zu vermeiden.
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Für Empfangsdemodulatoren sind an die Unveränderlichkeit der Nullstelle
nicht derartig hohe Anforderungen zu stellen wie bei den Regelspannungserzeugern.
Dafür sind aber die Forderungen nach einer linearen Arbeitsweise um so strenger
zu erfüllen. Dabei kann der Serienresonanzkreis aus Spule und Kondensator bestehen,
und man hat dann die in Abb. 6 b gezeigte Schaltung nachzubilden, wobei Ro, Co,
L, die entsprechenden Konstanten dieses Serienkreises sind.
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In diesem Fall ist man in der Wahl einer geeigneten Kreisgüte sowie
des Abstands der beiderseits der Serienresonanz liegenden Parallelresonanzen
vollkommen frei, d. h. man kann v" = jlÜo/Cp durch entsprechende Bemessung
von Co auf einen geeigneten Wert bringen, so daß in dem Bereich der Modulationsverstimmungen
die Blindwiderstandskurve praktisch einen linearen Verlauf aufweist.
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Wenn man den Blindwiderstand darstellt über y = v/ve (v = veränderliche
Verstimmung durch die Frequenzmodulation, v, = Abstand der Parallelresonanzstellen
von der die Bandmittenfrequenz bildenden Serienresonanz), so ergibt die Rechnung
Dabei ist und coo ist die Serienfrequenz. Bei kleinen
Verstimmungen wird Ri..g = ? ' v/«), C..
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Diese Gleichung stellt eine lineare Beziehung zwischen dem Blindwiderstand
und v dar. Die Größe des Gebiets, in welchem sie Gültigkeit hat, hängt von der gewählten
Größe A ab. In Abb. 9 ist f (y) für mehrere Werte von A dargestellt.
Da A in dem betrachteten Fall immer kleiner als i gewählt werden kann, so
ist es möglich, % bis 1/3 von v. auf beiden Seiten der Serienresonanzstelle für
die Demodulation auszunutzen. Die gleichen Überlegungen gelten grundsätzlich auch
bei Verwendung eines Kristalls als Serienresonanzkreis.
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In Abb. io ist eine Schaltung zur Nachstimmsteuerung eines frequenzmodulierten
Rundfunksenders
dargestellt, der auf einer mittleren Frequenz von
96 mHz arbeitet und dessen modulierte Steuerstufe auf 1/18 dieser Frequenz betrieben
wird, indem in an sich bekannter Weise die vom Steuergenerator gelieferte Schwingung
in ihrer Frequenz nachfolgend vervielfacht wird. Diese Schaltung weist einige bisher
noch nicht erwähnte vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens auf. Die
modulierte Spannung des Generators io steuert die Trennröhre ii, in deren Anodenkreis
das Filter mit dem Serienresonanzkreis, gebildet durch den Kristall 12, liegt. Das
Filter besteht aus einem Primärkreis mit recht breiter Resonanzkurve und dem kapazitiv
über den kleinen Kondensator Ct angekoppelten Kristallkreis, dessen Rückwirkung
auf den Primärkreis so klein gehalten ist, daß dessen Spannung innerhalb des Arbeitsfrequenzkreises
praktisch nur in geringstem Maße frequenzabhängig ist. Der Kristallkreis ist mit
einer Parallelkapazität C, von ungefähr 30 pF abgestimmt, wobei eine Arbeitsfrequenz
des Generators von 6 mHz zugrunde gelegt ist. Wenn der Kristall selbst eine Serienkapazität
Co #e 1/50 pF hat, dann liegen die Parallelresonanzen bei einer Verstimmung von
va = :t 2,5°/0, d.h. um ± 75 kHz von der Serienresonanz ab. Da der Frequenzhub auf
dieser Frequenz dann etwa 4,7 kHz beträgt und man mit einer höchsten Modulationsfrequenz
von 15 kHz zu rechnen hat, liegt das praktisch auftretende Frequenzspektrum im wesentlichen
im Bereich ± 2o kHz um den Träger herum. In der Abb. 9 bleibt dann y =
0,27. Bei einer Dämpfung des zum Quarz parallel liegenden Kreises von i0/0
wird A = 1/e, so daß man für den Scheinwiderstand des ganzen Kristallkreises innerhalb
des in Betracht kommen4en Frequenzbereichs den Scheinwiderstand des Kristalls allein
einsetzen kann. Wenn dabei der Kristallkreis zunächst einmal als verlustlos angesehen
wird, so ergibt sich über die Koppelkapazität Ct, die in die Parallelschaltung eingeschlossen
ist, die Spannung am Kristall
wenn v = v. und Co die Serienkapazität des Quarzes ist. Dies bedeutet, daß UQ je
nach dem Vorzeichen von v in Phase oder Gegenphase mit U. ist und der momentanen
Frequenzabweichung gegen die Quarzresonanz proportional ist.
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In Abb. io werden U. und U. durch die Röhren 13, 14 verstärkt. U$
gelangt über einen Einfachkreis und U1 über einen Gegentaktkreis auf die Gleichrichterdioden
8 und g. Für eine gute Wirkungsweise ist es von Bedeutung, daß die beiden Anodenkreise
hinreichend entkoppelt sind. Wenn in diesem Fall U, nicht frequenzmoduliert ist
und genau die Frequenz des Kristallkreises hat, verschwindet U, praktisch bis auf
eine sehr kleine Restspannung; die senkrecht auf U. steht. Die Regelspannung muß
daher Null werden. Es gibt aber nun verschiedene Einflüsse, die ein U, = o auch
in diesem Fall verursachen können.
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i. Die Spannung am Gegentaktkreis ist zwar Null, aber die Diodenwirkungsgrade
sind so verschieden, daß trotzdem an beiden Dioden unterschiedliche Gleichspannungen
entstehen. z. Beide Kreise sind richtig abgestimmt, aber durch unterschiedliche
Diodenwiderstände galvanisch gekoppelt.
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3. Beide Kreise sind durch unterschiedliche Diodenkapazitäten gekoppelt.
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Diese Einflüsse können nach einem weiteren Gedanken der Erfindung
kompensiert werden. Zunächst ist durch große Dämpfung der zur Zuführung von U1 und
U2 auf den Modulator mit den Dioden 8, 9 dienenden Kreise dafür zu sorgen, daß die
Fehlspannungen klein bleiben. Der noch verbleibende Restfehler wird am Gegentaktdiodenkreis
durch einen Differentialdrehkondensator 15 beseitigt. Zu seiner Einstellung wird
der Generator io zunächst bei abgeschalteter Regelung auf das Minimum von U, abgestimmt.
Dann wird das Gitter der Röhre 13, die den Gegentaktkreis steuert, kurzgeschlossen
und der Differentialkondensator so eingestellt, daß U, verschwindet. Diese Einstellung
ist dann ganz exakt, wenn bei einer Frequenz, die gleich der Kristallresonanz ist;
U, exakt Null wird. Wegen der kleinen Kristalldämpfung trifft dies nicht genau zu,
so daß es zweckmäßig ist, bei sehr kleinen, mit der Kristalldämpfung noch vergleichbaren
relativen Frequenzhüben diese Restspannung zu kompensieren.
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Abb. ii zeigt die Ausbildung des Kristallkreises der Abb. io mit diesen
Ergänzungen. Der innerhalb der gestrichelten Linie liegende Kristallkreis hat die
in Reihe liegenden Elemente Lo, Co und den Reihenwiderstand Ro. Seine eigene
Parallelkapazität ist Cp. Um den ganzen Filterkomplex durch die Abnahme von Um möglichst
wenig zu stören, wird U" an einer Anzapfung von , Spule LP abgenommen, die eine
Spannungsverminderung ergibt. Zur Kompensation der am Reihenwiderstand Ra im Resonanzfall
stehenden Spannung ist in Reihe mit dem Kristall ein Kondensator C, vorgesehen,
an dem über die kapazitive Teilung C2, C, und L,, R, eine Spannung erzeugt
wird, die von gleichem Betrag, aber entgegengesetzter Phase ist wie die Spannung
an Ra. Auf diese Weise wird Ua im Resonanzfall exakt Null.
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'Der Blindwiderstand R, in Reihe mit dem Kristall dient zum Ziehen
der Kristallresonanz auf die Sollfrequenz. Bekanntlich kann ein piezoelektrischer
Kristall, also im vorliegenden Fall besonders ein Quarz, nicht genau für eine bestimmte
Sollfrequenz geschliffen werden. R" kann durch einen.einstellbaren Kondensator oder
einen aus Spule und Kondensator bestehenden Reihenkreis gebildet werden, von dessen
Bestandteilen wenigstens einer einstellbar ausgebildet ist, damit auch im Betrieb
noch kleine Korrekturen der Frequenz möglich sind.