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Einrichtung zur Feststellung der Phasenkennlinie eines Netzwerkes
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Feststellung der Phasenkennlinie
eines Netzwerkes.
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Eine Anzahl wesentlicher Eigenschaften von Netzwerken machen sich
in der Phasenkennlinie bemerkbar. Bei bestimmten Netzwerken für Fernsehrelaissender
z. B. muß die Laufzeit innerhalb eines gewissen Frequenzgebietes weitestgehend konstant,
d. h. unabhängig von der Frequenz, also die Phasendrehung zwischen der Eingangs-
und der Ausgangsklemme des Netzwerkes proportional zur Frequenz sein. Die Phasenkennlinie,
welche die Beziehung zwischen dieser Phasendrehung und der Frequenz angibt, ist
hier also eine Gerade. Abweichungen von dem idealen Verhalten von Netzwerken machen
sich oft eher in der Phasenkennlinie als in der Amplitudenkennlinie bemerkbar.
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Die Feststellung der Phasenkennlinie von Netzwerken ist jedoch verhältnismäßig
schwierig, umständlich und zeitraubend, besonders wenn an die Genauigkeit hohe Anforderungen
gestellt werden müssen. wie dies bei höheren Frequenzen der Fall ist. Es sei hier
hemerkt, daß bei den vorerwähnten Beispielen von Netzwerken für Fernsehrelaissender
die Laufzeit mit einer Genauigkeit von io-0 Sekunden meßbar sein muß.
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Die Erfindung bezweckt, eine Einrichtung zur Feststellung der Phasenkennlinie
eines Netzwerkes zu schaffen, wodurch diese Prüfung vereinfacht und beschleunigt
wird.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die dem Netzwerk zugeführte Meßwechselspannullg einstellbarer Frequenz mit einer
Hilfswechselspannung niedrigerer Frequenz moduliert ist, die sich durch Selbsterregung
in einem aus Modulator, Netzwerk, Demodulator und Verstärker bestehenden geschlossenen
Kreis bildet, und daß die von der Phasendrehung der jeweiligen Meßwechselspannung
im Netzwerk abhängige Fre- -quenz der sich erregenden Hilfswechselspalltlung als
Meßwert dient.
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Hierbei wird also von dem zu prüfenden Netzwerk, dem Demodulator,
dem Verstärker und dem Modulator ein Schleifenkreis gebildet. In diesem Schleifenkreis
wird die Hilfswechselspannung mit niedriger Frequenz erzeugt und aufrechterhalten.
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Die Hilfswechselspannung selbst durchläuft nur den Verstärker. Im
Modulator wird sie der Meßwechselspannung als Modulation aufgedrückt. Die Frequenz
der Meßwechselspannung wird gleich der Frequenz gewählt, für die das Netzwerk geprüft
werden soll. Die modulierte Meßwechselspannung durchläuft das Netzwerk. Im Demodulator
wird die Modulationsspannung (also die Hilfswechsellspannung) von der Trägerwelle
getrennt.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem solchen
Schleifenkreis für die in ihm erzeugte Frequenz die Gesamtphasendrehung den Wert
Null annehmen oder ein ganzes Vielfaches von 3600 sein muß. Wird in einem der Elemente
des Schleifenkreises die Phasendrehung geändert, so ändert sich die erzeugte Frequenz
derart, daß die Gesamtphasendrehung für die neue Frequenz wieder den ursprünglichen
Wert annimmt. Dies gilt auch für eine Änderung der Phasendtehung, die die Meßwechselspannung
in dem zu prüfenden Netzwerk mitmacht. Durch den Modulator und den Demodulator wird
diese Phasendrehung gleichsam in eine entsprechende Phasendrehung der Hilfswechselspannung
umgewandelt. Die Frequenz der im Schleifenkreis erzeugten Schwingung (der Hilfswechselspannung)
ist somit durch die Laufzeit des Netzwerkes für die Frequenz der Meßwechselspannung
mitbedingt. Durch Messen der Frequenz der Hilfswechselspannung bei gegebenen Werten
der Frequenz der Meßwechselspannung kann die Phasenkennlinie des Netzwerkes festgestellt
werden.
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Wird die Frequenz der Meßwechselspannung geändert, so wird sich die
Laufzeit des Netzwerkes um einen Betrag z ändern. Auch die Frequenz p der Hilfswechselspannung
- ändert sich um einen Betrag dp. Es ergibt sich nun, daß 21= dp ist, worin t p
t die Gesamtlaufzeit in dem rückgekoppelten Kreis samt dem Netzwerk, also im ganzen
Kreis ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Laufzeit
des Verstärkers für die Hilfswechselspannung groß im Vergleich zu der Laufzeit des
zu prüfenden Netzwerkes für die Frequenz der Meßwechselspannungi In der vorstehenden
Formel kann dann mit guter Annäherung für t die Laufzeit des V.erstärkers anstatt
der Laufzeit des ganzen Schleifenkreises genommen werden.
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Diese Laufzeit ist dabei konstant und selbstverständlich bekannt.
Indem p und dp gemessen werden, kann z berechnet werden. Es sei bemerkt, daß in
diesem Fall p durch die Eigenschaften des Verstärkers bedingt ist. Auf diese Weise
kann geprüft werden, ob die Laufzeit des Netzwerkes in einem gewissen Frequenzgebiet
Anderungen aufweist oder nicht. Um einen Eindruck von der erzielbaren Genauigkeit
zu geben, sei erwähnt, daß in einem gewissen Fall gefunden wurde: p = 500 kHz; dp
= 50 Hz und t = Io" Sekunden. Daraus folgt, daß z = I09 Sekunden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
in der die Fig. I und 2 Ausführungsbeispiele von Einrichtungen nach der Erfindung
darstellen; die Fig. 3 und 4 stellen Ausführungsformen dar, bei denen in der Schaltung
eine zweite Hilfswechselspannung erzeugt wird, mit deren Hilfe eine Begrenzung der
ersten Hilfswechselspannung bewerkstelligt wird; die Fig. 5 und 6 stellen besondere
Ausführungsformen von Modulatoren dar; Fig. 7 stellt eine besondere Ausführungsform
eines Demodulators dar.
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Bei dem Ausführungsbeilspiel nach Fig. 1 bezeichnet 0 den Generator
ftir die Meßwechselspannung, M den Modulator, in dem die Meßwechselspannung von
der Hilfswechselspannung moduliert wird. N ist das zu prüfende Netzwerk, D der Demodulator,
in dem die von der Hilfswechselspannung modulierte Meßwechselspannung demoduliert
wird, V der Verstärker, in dem die von dem DemodulatorD gelieferte Hilfswechselspannung
verstärkt wird, bevor sie dem Modulator M zugeführt wird. Ein Frequenzmesser F dient
zum Messen der Frequenz p und der Frequenzänderungen d p der Hilfswechselspannung.
-Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Amplitude der Hilfswechselspannung mittels
eines im Verstärker V enthaltenen Amplitudenbegrenzess zu begrenzen. Es ist geboten,
dafür zu sorgen, daß dieser Begrenzer keine Verzerrung bewirkt, da diese die Genauigkeit
der Messung beeinträchtigt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der Begrenzer derart ausgebildet,
daß die von ihm bewirkte Verzerrung weniger als IoO/o beträgt.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen
dem nach Fig. 1-. Entsprechende Einzelteile sind durch gleiche Bezugszeichen wie
in Fig. I angedeutet. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I liegen
drei Unterschiede vor. Zunächst ist zwischen dem Modulator M und dem zu prüfenden
Netzwerk N ein Filter F1 vorgesehen, das nur die Meßwechselspannung und die infolge
der Modulation mit der Hilfswechselspannung entstandenen Seitenbänder durchläßt.
Die Hilfsvrechselspannung -selbst und deren Harmonische, die im Modulator entstehen
können, sowie Harmonische der Meßwechselspannung werden von diesem Filter weitgehend
gesperrt. Es hat sich nämlich ergeben, daß bei Vorhandensein
anderer
Spannungen neben der modulierten Meßwechselspannung die Messung gestört wird. Sodann
ist das Filter F2 vorgesehen, das nur die Hilfswechsel spannung durchläßt und Spannungen
mit anderen Frequenzen sperrt. wie z. B. die Meßwechselspannung und deren Harmonische,
die in der Ausgangsspannung des Demodulators D auftreten könnten. Drittens ist hier
ein Schalter S vorgesehen, mittels dessen die Phase der dem ModulatorM zugeführten
Hilfswechselspannung umgekehrt werden kann.
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Die Einrichtung nach der Erfindung enthält an sich einen Verstärker
V, zweckmäßig mit Amplitudenbegrenzung, einen Modulator M und einen Frequenzmesser
F. Zum Prüfen der Phasenkennlinie von Netzwerken, die bereits selbst einen Demodulator
D enthalten, wie dies z. B. bei Fernsehempfangsgeräten der Fall ist, erübrigt sich
naturgemäß ein eigener Demodulator. Zum Prüfen von Netzwerken, die keinen Demodulator
aufweisen, muß dagegen ein solcher der Einrichtung zugeordnet werden. Im ersten
Fall kann es vorkommen, daß das Netzwerk nach dem Demodulator noch mindestens eine
Verstärkerstufe enthält, die vom Hilfssignal durchlaufen wird. Die infolgedessen
hervorgerufene Phasendrehung von I800 in jeder Stufe kann stets dadurch ausgeglichen
werden, daß der Schalter.5 in die richtige Lage gebracht wird.
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In den bei den beschriebenen Einrichtungen verwendbaren Begrenzern
kann von der Oszillatorspannung eine Gleichspannung abgeleitet werden, die zum Regeln
der Verstärkung mindestens einer Röhre verwendet wird.
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Es hat sich dabei als notwendig erwiesen, diese Gleich'spannung besonders
gut abzuflachen, da sonst die übrigbleibende Welligkeit wieder in den geschlossenen
Kreis gelangt und zu Phasendrehungen führt. Ein Nachteil dabei ist jedoch der, daß
bei Anwendung einer starken Abflachung und im allgemeinen bei Anwendung einer großen
Zeitkonstante im Regelkreis unerwünschte Instabilitätserscheinungen auftreten. Aus
diesem Grunde ist es im allgemeinen nicht zulässig, mehr als ein Widerstands-Kapazitäts-Glied
in den Abflachkreis einzufügen.
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Die Erfindung bezweckt daher in einer Weiterbildung eine solche Ausführungsform
zu schaffen, daß der erwähnte Nachteil behoben wird. Bei dieser Ausführungsform
sind Mittel zum Erzeugen einer zweiten Hilfsspannung mit einer anderen, nachstehend
als Pilotfrequenz bezeichneten Frequenz vorgesehen, und Mittel, die mittels dieser
Hilfsspannung die Verstärkung bestimmen und selbsttätig entsprechend der Regelspannung
derart regeln, daß die Gesamtverstärkung im geschlossenen Kreis annähernd konstant
bleibt. Der eigentliche Begrenzer der ersten Hilfswechselspannung braucht dann nur
noch in geringem Maß ei,ne Verstärkungsänderung zu bewirken. Eine solche Einrichtung
ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der geschlossene Kreis für die erste Hilfswechselspannung mit der
Frequenz besteht hierbei aus dem Modulator M, dem Netzwerk AT, dem Demodulator D1,
dem nur für Schwingungen mit der Frequenz p durchlässigen Filter Fp und dem Verstärker
17. Außerdem ist ein Oszillator Q für die Pilotfrequenz q vorhanden, dessen Signal
den (nicht selektiven) Verstärker V durchläuft und im Modulator M als Modulation
der Meßfrequenz aufmoduliert wird. Die modulierte Meßspannung durchläuft das Netzwerk
N, worauf im Demodulator D3 eine erste Demodulation erfolgt. Die Pilotfrequenz wird
vom Filter Fq ausgesiebt und verstärkt, worauf im Demodulator D2 noch einmal Gleichrichtung
erfolgt.
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Mittels der gleichgerichteten Spannung wird die Verstärkung im Verstärker
V geregelt, so daß die Gesamtverstärkung im geschlossenen Kreis nahezu konstant
bleibt.
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Um Laufzeitänderungen beim Regeln zu vermeiden, wird die Regelung
vorzugsweise in einer Stufe mit geringer eigenen Laufzeit durchgeführt.
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Es ist manchmal empfehlenswert, die Regelung hei einem nicht in den
geschlossenen Kreis eingefügten Element durchzuführen. Eine solche Einrichtung ist
in Fig. 4 dargestellt.
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Die Einrichtung nach dieser Figur enthält im wesentlichen die gleichen
Elemente wie jene nach Fig. 3. Die im Demodulator D2 erzeugte Regelgleichspannung
wirkt hier jedoch auf die Ausgangsspannung des Meßoszillators 0. Zu diesem Zweck
ist zwischen diesem Meßoszillator und dem Modulator M ein Verstärker V2 eingeschaltet,
auf den die Ausgangsgleichspannung des Demodulators D2 wirkt.
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Die Pilotfrequenz q ist vorzugsweise stark von der Frequenz der ersten
Hilfswechselspannung verschieden, da in diesem Fall die Trennung dieser Frequenzen
leichter durchführbar ist. Es ist möglich, die Pilotfrequenz höher oder niedriger
als die Frequenz der Hilfswechselspannung zu bemessen.
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Es ist jedoch vorzuziehen, die Pilotfrequenz niedrig zu wählen, so
daß die Reaktion auf die Verstärkung der Trägerwelle im Meßgegenstand möglichst
vollkommen ist.
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In Fällen, in denen der Demodulator D1 unmittelbar eine hinreichende
Gleichspannung liefert, kann diese unmittelbar zur Regelung verwendet werden.
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In diesem Fall ist der Gleichrichter D2 entbehrlich.
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Es hat sich ergeben, daß, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen
werden, Schwierigkeiten beim Messen der Laufzeit in Netzwerken für Videofrequenzschwingungen
auftreten können. Diese Schwierigkeiten sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß
der Modulator nicht nur eine modulierte Hochf-requenzspannung, sondern auch eine
Spannung von der Modulationsfrequenz selbst an seinen Ausgangsklemmen abgibt. Diese
Niederfrequenzspannung wird von einem Videofrequenznetzwerk praktisch ungeschwächt
durchgelassen, so daß das den Demodulator erreichende Signal zwei Komponenten der
Spannung von niedrigerer Frequenz enthält, d. h. die Modulation der Hochfrequenzsignalspannung,
die gewünscht ist, und die unmittelbar durchgelassene Niederfrequenzkomponente,
die unerwünscht ist. Die Phasendrehung der zur Auswirkung gelangenden Ausgangsspannung
des De-
modulators ist dann nicht mehr nur Von der Phasendrehung
abhängig, die die modulierte Meßspannung durchgemacht hat.
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Einrichtungen, bei denen dieser Nachteil behoben ist, sind in den
Fig. 5, 6 und 7 dargestellt. Dabei tritt eine Schwächung der Hilfswechselspannung
ein, ohne daß eine zu große Phasendrehung der restlichen Spannung von Modulationsfrequenz
gegenüber der Modulation der Hochfrequenzschwingungen hervorgerufen wird.
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Die Schwächung muß mindestens einen~ etwa 20 db entsprechenden Faktor
10 betragen. Unter diesen Umständen ist es nicht erforderlich, daß die unerwünschte
Spannung von niedriger Frequenz bis auf einen sehr geringen Wert gesperrt wird.
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Es kann nachgewiesen werden, daß für die meisten Verwendungen ein
Wert der unmittelbar durchgelassenen Niederfrequenzspannung von IoO/o der demodulierten
Spannung nicht mehr schädlich ist.
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In Fig. 5, die eine besondere Ausführungsform des Modulators darstellt,
bezeichnet 0 wieder den Generator der Meßwechselspannung. Die Frequenz des Generators
kann z. B. zwischen 100 kHz und 10 MHz geändert werden. Diese Meßwechselspannung
wird auf die nachstehend zu beschreibende Weise durch die Hilfswechselspannung moduliert.
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Die modulierte Meßwechselspannung wird durch das zu prüfende Netzwerk
]\T für Videofrequenzschwingungen hindurchgeführt, in dem eine von den Eigenschaften
dieses Netzwerkes abhängige Phasenverschiebung auftritt. Die modulierte Meßwechselspannung
wird darauf im Demodulator D demoduliert. Im Verstärker V wird die im Demodulator
D abgeleitete Hilfswechselspannung verstärkt, bevor sie dem Modulator zugeführt
wird. Die Frequenz p der Hilfswechselspannung kann hier von der Größenordnung von
30 kHz sein.
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Der Modulator enthält zwei als Pentoden ausgebildete Verstärkerröhren
I und 2. Die Anode der ersten ist über einen Spannungsteilerwiderstand 3 mit dem
Pluspol der Speisequelle verbunden. Die Anode der zweiten ist unmittelbar damit
verbunden.
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Die im Ausgangskreis des Verstärkers Z auftretende Modulationsspannung
mit verhältnismäßig niedriger Frequenz wird den Fanggittern der beiden Röhren zugeführt.
An der Stelle 5 ist eine Vorspannungsquelle für diese Gitter angeordnet. Zwischen
den Kathoden und Erde liegen die üblichen Parallelschaltungen eines Widerstandes
und einer Kapazität, die eine Steuergittervorspannung erzeugen sollen. Die Spannung
von höherer Frequenz wird dem Steuergitter der Röhre I zugeführt. Das Steuergitter
der Röhre 2 ist über einen Widerstand geerdet.
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Die Röhren sind gleich eingestellt. Die Hilfswechselspannung setuert
die Stromverteilung zwischen dem Schirmgitter und der Anode jeder Röhre.
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Der Anodenwechselstrom und der Schirmgitterwechselstrom der Röhre
2 sind also entgegengesetzt gerichtet. Mittels des Spannungsteilers 3, dessen Gleitkontakt
mit dem Schirmgitter der Röhre 2 verbunden ist, wird der Anodens.trom der ersten
Röhre derart mit dem Schirmgitterstrom der zweiten Röhre kombiniert, daß die Modulationsfrequenz
aus dem dem Schirmgitter der Röhre 2 entnommenen Signal ferngehalten wird. Zwischen
dem Ausgangskreis des Modulators und dem Netzwerk N ist noch ein Abschwächer 4 mit
vier Stufen vorgesehen, der aus einer Anzahl von Widerständen besteht und keine
zusätzliche Phasenverschiebung herbeiführt. Es ist erwünscht, den Abschwächer an
dieser Stelle und z. B. nicht vor dem Modulator anzuordnen, damit die modulierte
Spannung und die noch übrigbleibende, unerwünschte Spannung von niedriger Frequenz
in gleichem Maße geschwächt werden.
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Bei der Modulatorschaltung nach Fig. 6 sind wieder zwei Pentoden
6 und 7 vorhanden; der Anodenkreis der letzteren enthält den Spannungsteilerwiderstand
8, von dem ein gegebenenfalls verschiebbarer Kontakt über den Widerstand g mit der
Anode der Röhre 6 verbunden ist. Der obere Teil des Widerstandes 8 führt also auch
den Anodenstrom der Röhre 6. Die von dem Anodenstrom der Röhre 6 im Widerstand 9
erzeugte Wechselspannung steuert mittels des Fanggitters den Anodenstrom der Röhre
7. Die Modulationsspannung wird dem ersten Gitter der Röhre 6 und die Meßwechselspannung
dem ersten Gitter der Röhre 7 zugeführt. Auch bei dieser Schaltung ist es möglich,
die Hilfswechselspannung im Ausgangskreis des Modulators zu unterdrücken.
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Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des Demodulators, bei der die im
Eingang auftretende Hilfswechselspannung vom Ausgangskreis ferngehalten wird. Das
vom Netzwerk N gelieferte, zu demodulierende Signal wird einem Widerstand 13 zugeführt,
der zwischen der Kathode der Röhre to und Erde liegt. Dieser Widerstand liegt außerdem
parallel zur Reihenschaltung von Kondensator 14 und einem zwischen dem Gitter der
Röhre II und Erde angeordneten Widerstand. Die Kathode der Röhre 1 1 ist iil)er
die Parallelschaltung eines Widerstandes und.eines Kondensators geerdet. Das erste
Steuergitter der Röhre 10 ist über einen Widerstand gleichfalls mit Erde verbunden.
Beide Röhren haben also nahezu die gleiche Hochfrequenzwechselspannung zwischen
dem Steuergitter und der Kathode, aber in Gegenphase. Für Gleichstrom sind die Röhren
gleich eingestellt.
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Die Eingangsspannung hat einen so hohen Wert, daß infolge der Gitterspannungs-Anodenstromkennlinie
Demodulation in den Röhren auftritt. Die Anoden sind über den gemeinsamen Widerstand
12 mit dem Pluspol der Speisequelle verbunden. Bei quadratischer Demodulation tritt
keine Spannung im Ausgangskreis des Demodulators auf, die ihre Ursache in der im
Eingangskreis vorhandenen Niederfrequenzspannung hat.