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Anordnung zur Ermittlung der durch Impedanzunregelmäßigkeiten einer
Ubertragungsleitung bei der Ubermittlung vonkurzzeitigen Impulsen hervorgerufenen
Mitflußstörungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordung zur direkten Beobachtung
des Einflusses von Impedanzunregelmäßigkeiten einer Ubertragungsleitung bei der
Übermittlung von kurzzeitigen Impulsen hervorgerufenen Mitflußstörungen.
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Wenn man an einem Ende einer Leitung einen solchen Impuls zuführt,
weichen bekanntlich Form und Dauer des am anderen Ende empfangenen Signals sehr
wesentlich von der Form und Dauer des zugeführten Impulses ab. Dies beruht einerseits
auf der von der Ausbreitung herrührenden Verzerrung und andererseits von örtlichen
Reflexionen, die an verschiedenen, auf der Länge der Leitung vorhandenen Unregelmäßigkeiten
auftreten; und zwar setzt sich das Empfangssignal aus dem ursprünglichen Impuls,
der in der Dauer mehr oder weniger verlängert und in seiner größten Amplitude verkleinert
ist, und einem nachfolgenden Störsignal zusammen, welches von den erwähnten Reflexionen
herrührt und als »Mitflußsignal« bezeichnet wird.
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Es sind Einrichtungen bekannt (vgl. USA.-Patentschrift 2 477 023),
durch die an dem senderseitigen Ende einer Leitung, welcher Impulse zugeführt werden,
die Rückflußsignale beobachtet werden können, die von Impedanzunregelmäßigkeiten
herrühren, wobei man auf Grund der so beobachteten Rückflußsignale mittelbar Schlußfolgerungen
auf die Eigenschaften und die Wellenform des Mitflußsignals ziehen kann.
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Die Erfindung hat demgegenüber eine Einrichtung zum Gegenstand, welche
die direkte oszillografische Darstellung dieses Mitflußsignals ermöglicht. Obwohl
es den Anschein haben könnte, daß diese Untersuchung leicht ausführbar ist, hat
die praktische Erfahrung gezeigt, daß dies nicht zutrifft, und zwar wegen der Schwierigkeiten,
die sich aus dem sehr erheblichen Unterschied der Größenordnungen des Mitflußsignals
und des Hauptsignals ergeben, welches durch den Impuls gebildet wird, der am entgegengesetzten
Leitungsende empfangen wird.
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Da das Mitflußsignal von Reflexionen zweiter Ordnung an den Unregelmäßigkeiten
des Leitungswiderstandes herrührt, steht seine Amplitude zu der Amplitude des Hauptsignals
in einem Verhältnis von der Größenordnung des Quadrates der entsprechenden Reflexionskoeffizienten.
Wenn diese Koeffizienten beispielsweise in einer richtig ausgebildeten Leitung nicht
größer sind als 1/ion, so liegt das erwähnte Verhältnis in der Größenordnung von
t/lOOOO.
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Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde bereits ein indirektes
Verfahren zur Bestimmung des Mitflußsignals vorgeschlagen, dessen grundsätzliche
Wirkungsweise in der Veröffentlichung von G. Fuchs, »Reflections in a coaxial cable
due to impedance irre-
gularities«, in der Zeitschrift »Proceedings of the Institution
of Electrical Engineers«, Teil IV, Bd. 99, 1952, S. 121 bis 136, beschrieben ist.
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Wenn das erwähnte indirekte Verfahren auch Vorteile haben mag, so
ist es doch wünschenswert, daß man das Mitflußsignal direkt beobachten kann, eine
Aufgabe, mit welcher sich die vorliegende Erfindung befaßt. Ein wichtiger Grund
dafür liegt darin, daß die Leitungsdämpfung die Meßergebnisse eines indirekten Verfahrens
verfälscht, so daß das indirekte Verfahren bei längeren Leitungen nicht anwendbar
ist.
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Aufgabe der Erfindung ist die Ausbildung einer Einrichtung, die die
obenerwähnten Schwierigkeiten vermeidet, welche sich aus dem Unterschied der Größenordnungen
des Mitflußsignals und des Hauptsignals ergeben, wobei diese Einrichtung zugleich
eine genaue Einregelung und Markierung der Zeitdauer gestatten soll, während der
das Mitflußsignal heohachtet wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ermittlung der
durch Impedanzunregelmäßigkeiten einer Übertragungsleitung bei der Übertragung von
kurzzeitigen Impulsen hervorgerufenen Mitflußstörungen aus der Größe und Wellenform
des an einem Leitungsende empfangenen, auf das Hauptsizgnal folgenden Mitflußsignals,
wenn an dem anderen Leitungsende Impulse mit einer Wiederholungsfrequenz zugeführt
werden,
unter Anwendung von Mitteln, um die Wellenform der an diesem Leitungsende empfangenen
Signale an einem Kathodenstrahloszillograpben zu beobachten und den Zeitmaßstab
dieses Gerätes auf die Wiederholungsfrequenz oder ein Vielfaches dieser Frequenz
zu synchronisieren. Erfindungsgemäß sind am ersten Leitungsende zur Verstärkung
der Signale ein linearer Verstärker vorgesehen und ein nichtlinearer Hilfsverstärker,
durch den das Hauptsignal viel weniger verstärkt wird als das amplitudenmäßig viel
kleinere Mitflußsignal, außerdem sind auf die Wiederholungsfrequenz synchronisierte
Einrichtungen vorgesehen, durch die die Verstärkung des nichtlinearen Verstärkers
periodisch herabgesetzt wird.
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Der nichtlineare Verstärker ist zweckmäßig ein die Amplitude begrenzender
Verstärker, dessen Amplitudenbegrenzung durch den Gitterstrom einer Elektronenröhre
hervorgerufen wird. Diese Röhre kam beispielsweise eine Pentode sein, deren Bremsgitter
die Hilfsimpulse mit solcher Polarität zugeführt werden, daß sie den Anodenstrom
zu unterdrücken suchen.
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Es können aber auch zwei Elektronenröhren verwendet werden, von denen
eine als Hauptverstärker dient und die andere, die eine solche Vorspannung hat,
daß sie für die empfangenen Signale eine Ansprechswelle bildet, mit der ersten Röhre
so zusammenwirkt, daß sie die Amplituden der von dieser übertragenen Signale verringert
sofern diese Amplituden groß sind.
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Am ersten Ende der Übertragungsleitung wird ein Generator für eine
Sinusschwingung mit der Frequenz F0 vorgesehen, der einerseits über eine Hilfsleitung
einen Synchronisierungsstrom an einen am zweiten Leitungsende angeordneten Generator
für sehr kurze Impulse liefert und andererseits auch die Zeitablenkung des Kathodenstrahloszillographen
synchronisiert und außerdem den Verstärkungsgrad des Hilfsverstärkers mittels eines
Hilfsgenerators synchronisiert, der die Steuerhilfsimpulse für die periodische Herabsetzung
seiner Verstärkung liefert. Zwischen dem Sinusgenerator und dem Hilfsimpulsgenerator
wird zweckmäßig ein regelbares Phasendrehglied angeordnet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1
ein einpoliges Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 das Prinzipschaltbild
einer Ausführungsform des Hilfsverstärkers, Ffg. 3 das Schaltschema einer ersten
Ausführungsform eines Hilfs-Sperrverstärkers, der ebenfalls bei der Ausführung der
Erfindung verwendet werden kann, Fig. 4 das Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
eines Hilfs-Sperrverstärkers.
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Nach dem Schema der Fig. 1 ist die zu untersuchende Übertragungsleitung
101 als besonderes Ausführungsbeispiel in Form einer koaxialen Leitung dargestellt.
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In der Nähe der Leitungsenden, die in Wirklichkeit voneinander sehr
weit entfernt sein können, sind zwei Gruppen von Geräten angeordnet, welche zusammen
die Einrichtung nach der Erfindung bilden.
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An dem Ende B, welches im folgenden als entferntes oder zweites Leitungsende
bezeichnet wird, ist nur ein Generator 103 vorgesehen, welcher periodische Impulse
von einfacher Wellenform liefert. Wenn man derartige Impulse bei B zuführt, empfängt
man an dem nahen oder ersten Leitungsende A einen Impuls mit einer veränderten Wellenform,
wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. An dem Ende A sind zur Erleichterung
des Betriebes
alle anderen Geräte der Einrichtung vorgesehen. Dazu gehören ein Generator 102,
welcher eine Sinusspannung mit der Frequenz Fo erzeugt und über das regelbare Phasendrehglied
110 und die Hilfsleitung 111 den Generator 103 mit einer Wiederholungsfrequenz nFO
synchronisiert, die ein ganzes Vielfaches von Fo ist. Ferner gehört zu der Einrichtung
ein Verstärker 104, dessen Ausgang ein Ablenkplattenpaar 105-105 eines Kathodenstrahloszillographen
106 speist, während seinem Eingang die Sile zugeführt werden, die von dem Ausgang
eines Hilfsverstärkers 107 abgehen, an dessen Eingang die bei A empfangenen Signale
zugeführt werden. Während der Verstärker 104 praktisch verzerrungsfrei arbeitet,
hat der Hilfsverstärker 107 eine besondere Charakteristik, durch welche er den obenerwähnten
Unterschied der Größenordnungen der Amplituden des MitSußsågnals und des Hauptsignals
vermindert und die unten itiiher erläutert wird.
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In Fig. 1 erkennt man eine weitere Einrichtung in Form einer Zeitablenkstufe
108, die das Elektronenbündel der Röhre 106 periodisch in eine Richtung ablenkt,
die im wesentlichen senkrecht auf der Ablenkungsrichtung der im Verstärker 104 verstärkten
Signale steht. Diese Zeitablenkeinrichtung zeigt die übliche Ausbildung, wie sie
im allgemeinen "oei Kathodenstrahloszillographen verwendet wird, und braucht daher
nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Sie wird durch den Generator 102 im Gleichlauf
auf der Frequenz nFO gehalten, und die von ihr erzeugte Spannung wird einem zweiten
Paar von Ablenkplatten 109-109 der Röhre 106 zugeführt. In Fig. 1 sieht man Impedanzen
114, 115, die an die Enden A bzw. B der Leitung 101 angeschaltet sind und deren
Größen so gewählt sind, daß keinerlei Reflexion der Signale an diesen Enden stattfindet.
Ferner sieht man einen Hilfsimpulsgenerator 112 sowie ein Hilfsphasendrehglied 113,
das vom Generator 102 gespeist wird und dazu dient, den Generator 112 zu synchronisieren.
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Die Geräte 112 und 113 sind bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, können jedoch in einigen Fällen weggelassen werden. Wenn
der Hilfsimpulsgenerator 112 vom Generator 102 auf dem Wege über den Phasenschieber
113 synchron.isiert wird, ist die Wiederholungsfrequenz der Impulse des Generators
112 die gleiche wie die Wiederholungsfrequenz nFO der vom Generator 103 gelieferten
Smpulse.
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Die gesamte Einrichtung arbeitet wie folgt: Die bei A empfangenen
Signale werden in den Verstärkern 107 und 104 verstärkt und sind auf dem Leuchtschirm
der Röhre 106 gut beobachtbar, der unter der Wirkung der Zeitablenkeinrichtung 108
mit der Wiederholungsfrequenz nFO der vom Generator 103 ausgesandten Impulse abgetastet
wird. Durch das Phasendrehglied 110 kann man leicht die Phasenlage der bei A empfangenen
und in den Verstärker 107 und 104 verstärkten Impulse verschieben, so daß das von
den untersuchten Signalen erzeugte Bild an einer günstigen Stelle des unter der
Wirkung der Zeitablenkschaltung 108 abgetasteten Schirms der Röhre 106 erscheint,
wobei die Stufe 108 z. B. eine periodische Sägezahnspannung liefert.
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Der Verstärker 104 ist ein praktisch verzerrungsfrei arbeitendes
Gerät und kann von beliebiger Art sein, sofern nur seine Verstärkung groß genug
und sein Frequenzdurchlaßbereich weit genug ist; dagegen muß der Verstärker 107,
wie bereits erwähnt, besondere Eigenschaften haben, damit er den Unterschied in
den Größenordnungen der Amplituden des Mitfluß
signals, das man
beobachten will, und des in A empfangenen Hauptsignals verringert.
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Bei der einfachsten Ausführungsform der Erfindung ist der Verstärker
107 ein begrenzender Verstärker, d. h., er beschneidet die seinem Eingang zugeführten
Signale, so daß die Signale geringer Amplitude praktisch ohne Verzerrung übertragen
werden, während die Signale großer Amplitude auf eine vorher bestimmte Höchstamplitude
beschränkt werden. Diese wird so klein gewählt, daß die dem begrenzenden Verstärker
folgenden Geräte sicher nicht übersteuert werden.
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Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines solchen begrenzenden Verstärkers.
In dieser Figur ist der begrenzende Verstärker 107 als Beispiel mit zwei Stufen
dargestellt. Zur Vereinfachung sind dabei die Speisestromquellen für die in diesem
Verstärker benutzten Elektronenröhren nicht dargestellt. Der Verstärker 107 enthält
zwei Pentoden 201 und 202. Die bei A in Fig. 1 empfangenen Signale werden bei 203
dem Steuergitter der Röhre 201, vorzugsweise über einen Widerstand 204, zugeführt.
Die Anode von 201 wird bei 205 aus einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt)
über einen Widerstand 206 mit hoher Gleichspannung versorgt. Die gleiche Spannungsquelle
versorgt über ein Potentiometer 207 das Schirmgitter der Röhre 201. Das Schirmgitter
der Röhre 202 wird am Anschlußpunkt 223 mit Spannung der gleichen oder einer anderen
Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) versorgt. Ein vom Anodenstrom der Röhre
201 durchflossener Widerstand 208 sorgt für eine dauernde Vorspannung des Gitters
gegenüber der Kathode der Röhre 201. Die am Punkt 209 an der Anode der Röhre 201
abgegriffene Spannung wird über einen Kondensator 210 dem Steuergitter der zweiten
Pentode 202 zugeführt. Die Anode dieser Röhre ist über den Widerstand 211 bei Punkt
212 mit einer Quelle hoher Gleichspannung (nicht dargestellt) verbunden. Die Anode
der Röhre202 wird durch den Kondensator 217 großer Kapazität, der sie mit einem
Punkt konstanten Potentials der Schaltung verbindet, auf konstantem Potential gehalten.
Das durch die Röhre 2C2 verstärkte Signal wird am Punkt 213 im Kathodenkreis von
dieser Röhre abgegriffen, der z. B. zwei feste Widerstände 214, 215 und ein Potentiometer
216 enthält.
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Vom Punkt 213 wird das verstärkte Signal dem Eingang des Verstärkers
104 (Fig. 1) zugeführt.
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In Fig. 2 sieht man außerdem eine Diode 218, die mit Widerständen
219, 220, 221 und dem Potentiometer 222 verbunden ist. Diese Diode hat die Aufgabe,
jede unerwünschte Augenblicksspannung zu begrenzen, die das Gitter der Röhre 202
gegenüber der Kathode dieser Röhre positiv machen würde. Eine solche Spannung könnte
tatsächlich auftreten, wenn z. B. der Kondensator 210 durch einen positiven, dem
Gitter der Röhre 201 zugeführten Impuls aufgeladen würde und sich nun über die Widerstände
206, 219 und das Potentiometer 222 entlädt. Durch Regeln dieses Potentiometers kann
man dem Gitter der Röhre 202 eine geeignete Gleichvorspannung gegenüber der Kathode
geben.
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Praktisch werden übrigens die Impulse großer Amplitude an der Klemme
203 durch den Gitterstrom der Röhre 201 und den Widerstand 204 ausreichend begrenzt,
sofern man die Schirmgitterspannung der Röhre 201 klein genug macht, was man durch
Regeln des Potentiometers 207 erreichen kann.
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Fig. 3 zeigt eine etwas andere Ausführungsform eines Hilfsverstärkers,
der als Verstärker 107 (Fig. 1) arbeitet. Wie Fig. 3 zeigt, weicht dieser Verstärker
von dem in Fig. 2 nur darin ab, daß das Bremsgitter
der Röhre201 nicht an einem Punkt
konstanten Potentials geführt ist, sondern an einem Klemmpunkt C zugänglich ist.
Ist der Verstärker 107 nach Fig. 3 wie in Fig. 1 geschaltet, so werden dem Punkt
C Impulse geeigneter Polarität und mit einer Wiederholungsfrequenz zugeführt, die
mit derjenigen der im Generator 103 erzeugten Impulse übereinstimmt. Die Impulse
werden vom Hilfsimpulsgenerator 112 zugeführt, der von dem Sinusspannungsgenerator
102 über das regelbare Phasendrehglied 113 synchronisiert wird. Die vom Generator
112 gelieferten Impulse sperren augenblicklich und während ihrer Dauer den Verstärker
107, und man kann durch Betätigen des Phasenschiebers 113 die zeitliche Lage der
Sperrdauer so regeln, daß man den Anodenstrom der Röhre 201 und damit die Verstärkung
von 107 unterdrückt, während am Eingang von 107 entsprechend dem bei A empfangenen
Hauptsignal Impulse großer Amplitude aufgenommen werden. Die von 112 gelieferten
Impulse müssen selbstverständlich eine solche Polarität haben, daß sie bestrebt
sind, das Bremsgitter der Röhre 201 gegenüber der Kathode dieser Röhre negativ zu
machen.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform eines Verstärkers,
der als Verstärker 107 (Fig. 1) arbeitet.
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Dieser Verstärker weist als erste Röhre 301 eine Pentode und als
zweite Röhre 3G2 eine Triode auf. Die bei A am Eingang dieses Verstärkers aufgenommenen
Signale werden dem Steuergitter der Röhre 301 über eine Anordnung von Kondensatoren
303, 304 und Widerständen 305, 306 zugeführt, deren Aufgabe später erklärt wird.
Gleichzeitig werden die bei A aufgenommenen Signale dem Steuergitter der Röhre 302
über einen Verbindungskondensator 307 und ein erstes Potentiometer 314 zugeführt,
das selbst mit einem zweiten Potentiometer 311 verbunden ist, durch dessen Regelung
man das mittlere Potential des Steuergitters der Röhre 302 festlegen kann. Die Anode
der Röhre 302 ist bei G mit dem Steuergitter der Röhre 301 verbunden, und die Kathode
der Röhre 302 ist über einen Widerstand 315 mit einem Punkt konstanten Potentials
T der Schaltung verbunden. Mit diesem Punkt ist außerdem die Kathode der Röhre 301
über einen Widerstand 309 verbunden, der durch eine Gruppe von Kondensatoren 308
sehr geringen Scheinwiderstandes für hohe wie für niedrige Frequenzen überbrückt
wird.
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Dem Schirmgitter und der Anode der Röhre 301 werden verhältnismäßig
kleine positive Gleichspannungen zugeführt, damit für den Fall, daß dem Punkt A
positive Signale großer Amplitude zugeführt werden, ihr Anodenstrom schnell begrenzt
wird, was durch die Größen der genannten Gleichspannungen geschieht, wie auch durch
den den hohen Widerstand 306 durchfließenden Gitterstrom.
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Die Fig. 4 zeigt außerdem einen Kondensator 316 und einen Widerstand
317, die den gemeinsamen Punkt des Widerstandes 305 und 306 mit dem Punkt konstanten
Potentials T verbinden, das Schirmgitter der Röhre31:11, welches über einen Widerstand
318 mit einer Spannungsquelle verbunden ist, einen Siebkondensator319 für das Schirmgitter,
einen Anodenbelastungskreis der Röhre 301, der aus einem Widerstand312 und einer
Induktivität 313 besteht, und einen Verbindungskondensator 320, welcher das in der
Röhre 301 verstärkte und an der Anode dieser Röhre abgegriffene Signal dem Verstärker
104 der Fig. 1 zuführt.
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Dieses Gerät arbeitet wie folgt: Ein positives Hauptsignal großer
Amplitude wird bei A zugeführt, in der Röhre 301 tritt ein positiver Gitterstrom
auf, und die
Kondensatoren 303 und 304 werden positiv geladen.
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Die Ladezeit kann verhältnismäßig lang werden. Während dieser Zeit
kann dann die Röhre 301 verstärken.
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Die Lardezeit der Schaltkapazität310 ist groß, weil die Widerstände
305 und 306 groß sein müssen, damit der Gitterstrom der Röhre 301 die Amplitude
des bei G auftretenden Signals begrenzen kann. Aufgabe der Röhre 302 ist es nun,
die Wirkung der Schaltkapazität 310 zu verringern. Zu diesem Zweck erhält das Steuergitter
dieser Röhre über den Kondensator 307 und das Potentiometer 314 das bei A zugeführte
Signal. Dadurch tritt im Anodenkreis von 302 ein Strom auf, der das Potential am
Punkt G verringert und infolgedessen die Kapazität 310 entlädt.
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Man kann die Vorspannung des Gitters der Röhre 302 durch das Potentiometer
311 regeln, das an eine gegenüber T negative Gleichspannungsquelle geschaltet ist.
Durch Einregeln dieser Vorspannung kann man der Röhre 301 eine solche Ansprechschwelle
geben, daß Signale kleiner Amplitude überhaupt keinen Anodenstrom in dieser Röhre
hervorrufen. Andererseits kann man das Potentiometer 314 so einstellen, daß bei
Signalen großer Amplitude die Spannungen, die in G einerseits über die Widerstände
305 und 306, andererseits durch den Anodenstrom der Röhre 302 auftreten, fast vollständig
kompensiert werden.
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Der für Wechselströme durch den Kondensator 316 überbrückte Widerstand
317 hat die Aufgabe, den Anodenstromkreis der Röhre 302 zu schließen. Die Widerstände
305 und 306, die wie oben erklärt, hohe Werte haben, sind für Ströme hoher Frequenz
durch Kondensatoren geringer Kapazität 303 und 304 überbrückt, die Signale kleiner
Amplitude nach G übertragen. Das aus Widerstand 312 und Induktivität 313 bestehende
Glied bildet für die Röhre 301 einen Anodenbelastungskreis, dem man in bekannter
Weise günstige Eigenschaften für die Übertragung von Signalen mit breitem Frequenzband
gibt.
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Als Beispiel sei angegeben, daß die Erfindung unter den folgenden
Betriebsbedingungen verwirklicht wurde: Die vom Sinusspannungsgenerator 102 gelieferte
Frequenz betrug 5000 Hz; die Frequenz der von den Impulsgeneratoren 103 und 112
gelieferten Impulse betrug 5000 Hz; die vom Generator 103 gelieferten Impulse in
Form einer überhöhten Cosinuswelle hatten eine Dauer (bei halber Amplitude) von
0,17 Mikrosekunden; die Amplitude der Impulse betrug 200 Volt.
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Praktisch wurde der die Frequenz von 5000 Hz liefernde Generator
102 durch einen Generator für 100 kHz gebildet, dessen Frequenz durch einen piezoelektrischen
Kristall stabilisiert und dann durch bekannte Mittel unterteilt wurde.
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Da der Impulsgenerator 103 über die Hilfsleitung 111 mit einer ziemlich
niedrigen Frequenz (5000 Hz) synchronisiert wird, kann diese Hilfsleitung von beliebiger
Bauart sein und braucht keine besonderen Arbeitsbedingungen zu erfüllen.