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Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung von Wechselspannungen
Das Hauptpatent betrifft ein Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung
von Wechselspannungen, bei dem ein gemeinsames Zwischenglied (Verstärker oder Abschwächer)
eingangsseitig zwischen den Spannungsquellen und ausgangsseitig zwischen den zu
vergleichenden Meßspannungen unter Einführung einer Frequenztransformation eingeschaltet
wird. Durch die Umschaltfrequenz treten bekanntlich außer den eigentlichen Meßspannungen
die durch die Schaltmodulation bedingten Seitenbänder auf. Die schaltmodulierten
Spannungen 'werden dabei durch Siebe, die z. B. nur den Träger oder nur eine Seitenfrequent
durchlassen, wieder in kontinuierliche, d. h. unmodulierte Spannungen rückverwandelt,
die der Phasen- und Amplitudenmessung zugänglich sind. Wie im einzelnen noch nachgewiesen
wird, treten bei den Seitenfrequenzen Phasenbeziehungen auf; die um z8o° gegenüber
den Phasenbeziehungen der Träger, d. h. der eigentlichen Meßspannungen, verschoben
sind. Es entsteht somit eine Phasenmehrdeutigkeit, wenn bei der Messung statt des
Träger eine Seitenfrequenz verwendet wird, was wiederum zu Fehlmessungen führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil
zu beseitigen.
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Bevor auf die Erfindung selbst eingegangen wird, sei kurz auf die
Ursache und das. Wesen der Phasenmehrdeutigkeit eingegangen. Zur Erläuterung werden
die Fig. = und 2 der Zeichnung herangezogen.
In Fig. i ist der Umschaltvorgang
eines Substitutionsverfahrens im Blockdiagramm schematisch dargestellt. Die beiden
Wechselspannungen A und B sind wechselweise vorhanden bzw. gesperrt, wie dies der
Zeitpunkt to deutlich macht.
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Fig. 2a gibt links das Modulations-Vektordiagramm für die schaltmodulierte
Spannung A und rechts für die Spannung B wieder, und zwar zum Zeitpunkt to. Dabei
bedeutet ft den Träger mit der Frequenz der Meßspannungen A bzw.
B, während zwei Seitenfrequenzen im Frequenzabstand der Schaltfrequenz durch
fs, und fs, bezeichnet sind: Bekanntlich läßt sich ein Modulationsvorgang im Vektordiagramm
so betrachten, daß man sich den an sich mit der Frequenz des Trägers umlaufenden
Vektor ft als relativ ruhend denkt, wobei dann die Seitenfrequenzen fs gegenüber
ft nach rechts bzw. links umlaufen, und zwar mit der Schaltfrequenz. Im Zeitpunkt
to ist in Fig. i die Spannung im Maximum angenommen. Demgemäß sind in Fig. 2 a für
die Spannung A alle drei Vektoren fsl, fs, und ft gleichphasig und ergeben die maximale
Größe A. Umgekehrt liegen die Verhältnisse bei der Spannung B, die in Fig. i zur
Zeit to gleich Null ist. In Fig. 2 a liegen daher fs, und fs, entgegengesetzt zu
ft. Der Vektor B wird somit zum Zeitpunkt to zu Null. Obwohl also beide Meßspannungen
(Träger) ft für Vorgang A und Vorgang B gleichphasig angenommen wurden, zeigt
Fig. 2a, daß die Seitenfrequenzen fs, und fs, für den Vorgang A um i8o° phasenverschoben
gegenüber den Seitenfrequenzen des Vorgangs B sind. Das Ergebnis ist verständlich,
wenn man bedenkt, daß-die-Schaltmodulation für Vorgang A ebenfalls gegenüber der
Schaltmodulation für Vorgang B um 18o° phasenverschoben ist.
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In Fig. 2 b sind die gleichen Verhältnisse als Frequenzspektren dargestellt.
ft ist der Träger (links für Spannung A, rechts für B), fs, und fs, sind die Seitenfrequenzen.
Während ft für A und B gleichphasig ist, liegen fs, und fs, von Spannung
A gegenphasig zu fs, und fs, von Spannung B (symbolisch durch Zeichnung nach oben
bzw. unten dargestellt). S ist die Resonanzkurve der Siebe. Diese Phasenmehrdeutigkeit
kann nur vermieden werden, wenn bei Einstellung der Frequenz die Frequenz ft des
Trägers gegenüber den Seitenfrequenzen kenntlich gemacht wird. Daß die Frequenz
ft mit den Seitenfrequenzen verwechselt werden kann, geht aus folgendem Anwendungsbeispiel
hervor.
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Das Zwischenglied des Substitutionsverfahrens sei z. B. ein Empfänger,
dessen Ausgang durch einen Telegrafieüberlagerer (A,-Betrieb) tonfrequente Spannungen
liefert. Diese werden auf Siebe von iooo Hz gegeben zwecks Unterdrückung der Schaltmodulation,
wie in Fig.2b dargestellt. Der Empfänger ist also frequenzmäßig so einzustellen,
daß an seinem Ausgang ein Träger von iooo Hz und die Seitenfrequenzen auftreten.
Beträgt die Schaltmodulation z. B. Zoo Hz, so treten die Seitenfrequenzen fs, =
8oo Hz und fs2 = z2oo Hz auf.
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Wird nun der Empfänger z. B. um Zoo Hz verstimmt, so ergeben sich
die Verhältnisse von Fig. 2 c. Die Eigenfrequenz der Siebe von i ooo Hz ist naturgemäß
dieselbe geblieben wie in Fig. 2b. Jedoch liegt der Träger ft nunmehr bei
i2oo Hz, die Seitenfrequenz fs, bei iooo Hz und fs2 bei i4oo Hz. Das bedeutet aber,
daß das Sieb von i ooo Hz statt vom Träger nunmehr von einer Seitenfrequenz gespeist
wird und somit ein Phasenfehler von i8o° zwischen den Spannungen A und B auftritt.
Beim »Durchdrehen, des Empfängers werden also (ähnlich dem Suchtonverfahren) an
mehreren Frequenzeinstellungen iooo Hz Spannungen am Sieb auftreten. Der Mehrdeutigkeit
der iooo Hz Einstellung des Empfängers entspricht die Mehrdeutigkeit der Phase,
je nachdem, ob es sich bei den eingestellten iooo Hz um den Träger oder um eine
Seitenfrequenz handelt.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Substitutionsverfahren
nach dem Hauptpatent dahingehend zu verbessern, daß aus der Phasenmehrdeutigkeit
sich bei Verstimmung des Empfängers ergebende Fehlmessungen ausgeschlossen werden.
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Sie geht dabei von dem Grundgedanken aus, aus den Kriterien Frequenz,
Phase oder Amplitude der empfangenen Schwingungen eine Kenngröße zu gewinnen, die
anzeigt, ob es sich bei der am Meß- oder Anzeigeorgan ankommenden Schwingung um
den Träger selbst oder um eines seiner durch die Schaltmodulation bedingten Seitenbänder
handelt.
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Dementsprechend weist die Erfindung drei voneinander verschiedene,
gleichwertige Wege zur Lösung der gestellten Aufgabe: In jedem Falle bezieht sie
sich also auf das Substitutionsverfahren zur Phasen- und Amplitudenmessung von Wechselspannungen
nach Patent 877 046, bei dem ein gemeinsames Zwischenglied (Verstärker oder Abschwächer)
eingangsseitig zwischen den Spannungsquellen und ausgangsseitig zwischen den zu
vergleichenden Meßspannungen unter Einführung einer Frequenztransformation rhythmisch
ungeschaltet wird. (Substitutionsumschaltung). Der erste Lösungsweg besteht erfindungsgemäß
darin, daß zwecks Ausschließung von durch die Schaltmodulation bedingten und aus
der Phasenmehrdeutigkeit sich bei Verstimmung des Empfängers ergebenden Fehknessungen
eine Kennfrequenz dadurch gewonnen wird, daB die Wechselspannung außer durch die
Substitutionsumschaltung noch durch eine Kennungsumschaltung zwischen den Meßspannungen
und einer Einzelspannung moduliert wird, deren Schaltfrequenz von der Substitutionsumschaltung
vorzugsweise in Richtung niedrigerer Frequenz abweicht, so daß sich die durch die
Kennungsumschaltung hervorgerufenen Seitenbänder nicht frequenzmäßig mit den durch
die Substitutionsumschaltung erzeugten decken, und daß der Einzelspannung ebenfalls
ein auf die Sollträgerlage abgestimmtes Sieb zugeordnet wird, hinter dem keine Spannung
auftritt, wenn etwa hinter dem den Meßspannungen zugeordneten Sieben nicht der Träger,
sondern eines der durch die Substitutionsumschaltung hervorgerufenen Seitenbänder
auftritt, und dadurch der Empfänger automatisch (oder der Beobachter) befähigt wird,
festzustellen, ob es sich bei der zum Meß- oder Anzeigeorgan gelangenden Schwingung
um den Träger selbst oder eines seiner durch die Umschaltfrequenz hervorgerufenen
Seitenbänder handelt.
Das Kennzeichen des zweiten erfinderischen
Lösungsweges ist, daß zwecks Ausschließung von durch die Schaltmodulation bedingten
und aus der Phasenmehrdeutigkeit sich bei Verstimmung des Empfängers ergebenden
Fehlmessungen eine Kennphase dadurch gewonnen wird, daß in an sich bekannter Weise
vor Beginn der eigentlichen Messung die beiden Meßeingänge parallel geschaltet werden,
so daß hinter den Sieben bei Auftreten des Trägers selbst gleichphasige Spannungen
erscheinen, während bei Auftreten der Seitenbänder diese Spannungen um 18o° gegeneinander
verschoben sind, wodurch der Empfänger automatisch (oder der Beobachter) befähigt
wird, festzustellen, ob es sich bei der zum Meß- oder Anzeigeorgan gelangenden Schwingung
um den Träger selbst oder eines seiner durch die Umschaltfrequenz hervorgerufenen
Seitenbänder handelt.
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Der dritte Lösungsweg gemäß der Erfindung schließlich sieht vor, daß
zwecks Ausschließung von durch die Schaltmodulation bedingten und aus der Phasenmehrdeutigkeit
sich bei Verstimmung des Empfängers ergebenden Fehlmessungen eine Kennamplitude
dadurch gewonnen wird, daß hinter einer der Meßspannungsquellen außer dem auf die
dem Träger zugeordnete Sollfrequenz abgestimmten Sieb zwei weitere, auf die Sollfrequenz
der Seitenbänder abgestimmte Siebe vorgesehen werden, und daß als Kennamplitude
die Amplitudendifferenz zwischen den hinter zweien der Siebe auftretenden Spannungen
dient unddadurch der Empfänger automatisch (oder der Beobachter) befähigt wird,
festzustellen, ob es sich bei der zum Meß- oder Anzeigeorgan gelangenden Schwingung
um den Träger selbst oder eines seiner durch die Umschaltfrequenz hervorgerufenen
Seitenbänder handelt.
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Während die schon besprochenen Fig. z und 2 der Erläuterung der physikalischen
Zusammenhänge dienen, zeigt Fig. 3 im Blockschema eine Anordnung für ein Substitutionsmeßverfahren
nach dem Hauptpatent, während Fig. 4 eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 3 für
die erste Lösung gemäß der Erfindung darstellt; Fig. 5 und 6 sind Diagramme zur
Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 4; Fig. 7 zeigt ein Oszillogramm
zur Erläuterung der Art, wie die Freigabe und Sperrung der Messung erfolgen kann;
Fig. 8 zeigt ein Oszillogramm, das sich auf die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens für Peilzwecke bezieht; Fig. 9 gibt ein Diagramm zur Erläuterung der
dritten Lösung gemäß der Erfindung wieder.
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Die erste Lösung soll an Hand der Fig. 4, 5 und 6 erläutert werden.
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Bei ihr erfolgt neben der Substitutionsumschaltung eine weitere -
vorzugsweise langsamere - Umschaltung zwischen den Meßspannungen und einer Einzelspannung,
derart, daß sich die Seitenbänder dieser Kennungsumschaltungsfrequenz nicht mit
den Seitenbändern der Substitutionsumschaltung frequenzmäßig decken.
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Zur Gegenüberstellung mit der schon im Hauptpatent offenbarten Anordnung
ist in Fig. 3 diese nochmals schematisch wiedergegeben.
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Qa und Qb sind zwei zu vergleichende Spannungsquellen. Es bedeutet
ferner SU-SU die eingangs- und ausgangsseitige Umschaltung des gemeinsamen Zwischengliedes
ZG. Ma und Mb sind die beiden am Ausgang auftretenden Meßspannungen
mit ihren zugehörigen Sieben S zur Unterdrückung der Schaltmodulation.
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In Fig. 4 ist gegenüber Fig. 3 eine weitere Umschaltung vorgesehen.
Diese zusätzliche Kennungsumschaltung sei mit KU bezeichnet, eine Einzelspannung
gleicher Frequenz wie Qa bzw. Qb mit Qc. Ihr entspricht die Spannung lbTc am Ausgang
mit dem Sieb S. Die Kennungsumschaltung schaltet das gemeinsame Zwischenglied ZG
zwischen der Subsfitutionsumschaltung S U und der Einzelspannung Qc eingangs-
und ausgangsseitig um. Das bedeutet, daß die Spannung Mc die gleiche Frequenz des
Trägers ft aufweist wie Ma
und Mb. Die Seitenfrequenzen der Spannung
Mc unterscheiden sich aber von den durch die Substitutionsumschaltung erzeugten
Seitenfrequenzen, da, die. Frequenz der Kennungsumschaltung eine andere ist als
die Frequenz der Substitutionsumschaltung.
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In Fig.5 bezeichnet ft wieder den Träger der Spannung Mc. Man erkennt,
daß sich die Seitenfrequenzen der Kennung fsk nicht mit den gestrichelt eingezeichneten
Seitenfrequenzen fsl und fs, der Meßspannungen Ma und Mb decken.
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Es besteht Frequenzübereinstimmung also nur hinsichtlich der Frequenz
des Trägers ft, die für Ma, Mb
und Mc dieselbe ist. Es sei wieder ft
= a ooo Hz angenommen. Die Substitutionsnmschaltung erfolge mit z. B. Zoo
Hz und die Kennungsumschaltung mit 2o Hz. Verstimmt man nun den Empfänger wiederum
um Zoo Hz, so erhält man Frequenzen gemäß Fig. 6. Die Eigenfrequenz der drei Siebe
für Ma, Mb und 111c liegt fest bei a ooo Hz. Während von Ma bzw.
Mb her, wie oben dargelegt, eine Seitenfrequenz in den Durchlaßbereich der
Filter S fällt und den Träger ff vortäuscht, erscheint am Ausgang des Mc
nachgeordneten Filters S keine Spannung, da hier die ModulationsfrQquenz nicht Zoo
Hz beträgt. Mc ist vielmehr mit der Kennungsumschaltung (z. B. 2o Hz) moduliert,
und die Seitenfrequenzen fskl und fsk, liegen nahe bei ft. Bei einer Verstimmung
des Empfängers um Zoo Hz wird daher das Sieb S der Spannung, Me spannungslos. Es
liefert vielmehr eine Kennspannung Ek nur dann, wenn bei richtiger Frequenzeinstellung
der Träger eine Frequenz von a ooo Hz aufweist. Wird der Empfänger verstimmt, so
verschwindet die Kennspannung. Diese Anordnung kann so ausgebildet werden, daß die
hinter den der Einzelspannung zugeordneten Sieb auftretende Spannung dazu verwendet
wird, die Phasen- und Amplitudenmessung der Wechselspannungen freizugeben.
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Als Ausführungsbeispiel für die Sperrung bzw. Freigabe der Messung
vermöge der Kennspannung Ek sei eine Messung mit Sichtanzeige herangezogen-Die beiden
gesiebten Meßspannungen Ma und Mb
mögen auf die Ablenkplatten eines
Braunsehen Rohres geschaltet sein. Gemäß Fig. 7 ergibt sich bei Gleichphasigkeit
und gleicher Amplitude ein Leuchtstrich unter 45°. Wird der Empfänger im oben beschriebenen
Beispiel um Zoo Hz, d. h. um die Schaltfrequenz verstimmt, so treten statt der Träger
die Seitenfrequenzen durch die Siebe von N1a und Mb. Die Phasenbeziehung
zwischen Ma und Mb wird dabei - wie dargelegt -um
z8o°
gedreht. Der Leuchtstrich würde nunmehr die gestrichelte Richtung einnehmen. Die
Kennspannung Ek kann nun dazu verwendet werden, das im Ruhezustande verdunkelte
und somit schwach oder gar nicht anzeigende Braunsche Rohr hellzusteuern. Auf diese
Weise kommt eine Sichtanzeige nur zustande, wenn der Empfänger richtig abgestimmt
wird, d. h. in vorliegendem Beispiel,, wenn der Träger ft auf Zooo Hz liegt. Die
Phasenmehrdeutigkeit ist somit beseitigt.
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Als Einzelspannung Qc läßt sich für die Zwecke der Kennung naturgemäß
außer einer mit Qa oder Qb gleichfrequenten Spannung auch Qa oder Qb selbst oder
beide gemeinsam verwenden, so daß die beschriebene Anordnung nicht notwendig das
Vorhandensein von drei Spannungsquellen voraussetzt.
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Ferner können für Peilzwecke z. B. die Spannungsquellen Qa und Qb
durch die Antennenspannungen eines Kreuzrahmens oder eines Adcocks gebildet werden,
während für Qc die Hilfsantennenspannung verwendet wird. Werden Ma und
Mb nach Siebung wiederum auf die Ablenkplatten eines Braunsehen Rohres geschaltet,
so zeigt der Leuchtstrich in an sich bekannter Weise die Peilrichtung an. Die Kennspannung
Ek und die Hellsteuerung des Braunsehen. Rohres bewirken, daß der Leuchtstrich nur
entsteht und damit Peilungen nur abgelesen werden können, wenn der Peilempfänger
freqaenzmäßig richtig eingestellt wurde (im obigen Beispiel ft = zooo Hz).
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Es liegt auf der Hand, die Kennspannung Ek nicht nur- zur optischen,
sondern auch zur akustischen Kennung heranzuziehen, so daß Signale aus dem Peilempfänger
akustisch ebenfalls nur dann wahrnehmbar sind, wenn der Empfänger richtig abgestimmt
wurde. Die akustische Sperrung und Freigabe erfolgt dabei in bekannter Weise analog
der Helligkeitssteuerung des Braunsehen Rohres durch Schließen oder Öffnen einer
oder mehrerer Verstärkerröhren durch die Kennspannung E_k. Andererseits läßt sich
auch die Kennspannung Mc selbst, gegebenenfalls nach Siebung, akustisch ausnutzen,
da sie von der Spannungsquelle Qc geliefert wird und nur bei richtiger Abstimmung
auftritt.
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Bei der oben beschriebenen Anwendung für Peilzwecke ist es an sich
bekannt, durch Verwendung der Hilfsantennenspannüng als Wechselspannung eine Hälfte
des Leuchtstriches zu verdunkeln (Fig. 8) zum Zwecke der Seitenbestimmung.
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Die Kennspannung läßt sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
für diesen Zweck mit verwenden. Ausgehend von der zugehörigen Spannung Mc wird nach
Siebung ein Teil der Spannung gleichgerichtet zur Erzeugung der Kennspannung Ek.
Dieser Teil dient der Hellsteuerung und damit der Beseitigung der Phasenmehrdeutigkeit.
Der andere Teil wird ebenfalls dem Wehnelt-Zylinder des Braunsehen Rohres zugeführt,
jedoch als Wechselspannung. Eine Halbperiode dieser Wechselspannung bewirkt dann
die Seitenbestimmung durch Dunkelsteuerung des halben Leuchtstriches.
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Beim Aufsuchen zu peilender Sender kann es erwünscht sein, zunächst
die Sendung in ihrer Modulation aufzunehmen. Dies kann so erfolgen, daß für die
Dauer der Identifizierung der zu peilenden Sender der Peilempfänger eingangsseitig
fest an die Hilfsantennenspannung gelegt wird und der Empfang vor der ausgangsseitigen
Umschaltung wahrnehmbar gemacht wird. Nach Beendigung der Identifizierung kann auf
Substitutionsverfahren umgeschaltet werden, z. B. zwecks Vornahme der Peilung.
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Die zweite Lösung beruht auf folgendem: Schaltet man die beiden Eingänge
der Substitutionsumschaltung SU (Fig.3) parallel, so ergibt sich zwangsweise Gleichphasigkeit
und Amplitudengleichheit der Spannungsquellen. Es wurde oben erwähnt, daß bei Anzeige
auf dem Braunsehen Rohr gleichphasige Spannungen gleicher Amplitude einen Leuchstrich
unter 45° ergeben. Bei Verstimmung des Empfängers würde der Leuchtstrich in die
gestrichelte Lage übergehen. Die Lage des Leuchtstriches in Fig. 7 (ausgezogen oder
gestrichelt) lä<ßt also bei Abstimmung des Empfängers erkennen, ob auf die Frequenz
des Trägers oder auf Seitenfrequenz eingestellt ist. Nach erfolgter Frequenzprüfung
kann dann auf Meßbetrieb zurückgeschaltet werden, indem die Parallelschaltung der
Eingänge wieder aufgehoben wird.
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Ferner kann nach der dritten Lösung eine Unterscheidung zwischen Träger-
und Seitenfrequenzen auch auf Grund der Amplitudenverhä,ltnisse erfolgen. In Fig.
g sind drei Frequenzen ft, fsl und fS2 mit ihren Amplituden schematisch dargestellt.
Sieht man hierfür drei Siebe S3, S1 und SZ vor und vergleicht man die Amplituden
am Ausgang der Siebe, so ist die richtige Abstimmung auf den Träger nur gegeben,
wenn die Ausgangsspannung von S3 die größte der drei Spannungen ist. Auch hieraus
läßt sich auf einfache Weise eine Kennspannung ableiten und gewinnen, die entweder
bei richtiger Frequenzeinstellung -die Phasen- und Amphtudenmessung freigibt oder
umgekehrt sie bei falscher Frequenzeinstellung sperrt.