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Schwingungserzeuger mit einstellbarer Ausgangsfrequenz hoher Konstanz
| Für vielerlei Zwecke, z. B. in der Nachrichtenüber- |
| tragungs- und Meßtechnik, sind Schwingungserzeuger |
| hoher Frequenzkonstanz erforderlich, wozu im all- |
| gemeinen quarzgesteuerte Oszillatoren herangezogen |
| werden. Falls hierbei eine Mehrzahl von hochkon- |
| stanten Frequenzen zu erzeugen ist, können beispiels- |
| weise entsprechend viele, wahlweise einschaltbare |
| Schwingquarze vorgesehen werden, wobei sich jedoch |
| die Zahl der einstellbaren Frequenzen zunächst auf |
| die Anzahl der verwendeten Schwingquarze be- |
| schränkt. Nur bei einer wesentlichen Steigerung des |
| schaltungstechnischen Aufwandes läßt sich dabei die |
| Anzahl der verfügbaren hochkonstanten Frequenzen |
| erhöhen, so z. B. durch die Verwendung frequenz- |
| teilender und/oder -vervielfachender Mittel. |
| Es ist jedoch häufig erforderlich, innerhalb be- |
| stimmter Bereichsgrenzen wesentlich mehr Frequen- |
| zen einzustellen, als es durch eine entsprechende Fre- |
| quenzteilung und!oder -vervielfachung einiger quarz- |
| kontrollierter Frequenzen möglich ist. Bei den be- |
| kannten Anordnungen werden in diesem Fall aus den |
| vorhandenen hochkonstanten Frequenzen durch mehr- |
| fache Modulation der Oszillatorausgangsspannungen |
| Summen- und Differenzfrequenzen erzeugt, so daß |
| ein relativ dichtes Frequenzraster mit vorzugsweise |
| gleichen Frequenzabstäiideii zwischen den einzelnen |
| Rasterfrequenzen entsteht. Zusätzlich wird dann in |
| bekannter Weise ein variabler Oszillator vorgesehen, |
| der mindestens um den Betrag des Frequenzabstan- |
| des in seiner Frequenz einstellbar ausgebildet ist und |
| dessen Ausgangsspannung mit einer der aus dem Fre- |
| quenzraster ausgesiebten Schwingungen moduliert |
| wird. Da die an sich wcniacr konstante Frequenz des |
| variablen Oszillators nur einen Bruchteil zu der letzt- |
| lich erzeugten .Ausgangsfrequenz beiträgt, wird deren |
| Konstanz, die im übrigen von der Konstanz der |
| wenigen quarzgesteuerten Grundfrequenzoszillatoren |
| abhängt, nicht nennenswert beeinträchtigt. Derartige |
| Anordnungen sind jedoch r:lativ umständlich und |
| wegen des großen Aufwandes an Modulatoren und |
| Filtern sehr teuer. |
| Es sind weiterhin Schwingungserzeuger mit einstell- |
| barer Ausgangsfrequenz hoher Konstanz bekannt, bei |
| denen eine von einem frcquenzmäßig einstellbaren |
| Oszillator abgeleitete Impulsfolge einem einstellbaren |
| Zähler zugeführt wird und ein nach Erreichen einer |
| eingestellten Impulszahl abgelaufenes Zeitintervall |
| mit einem von einem frequenzstabilisierten Oszillator |
| abgeleiteten Vergleichsintervall derart verglichen wird, |
| daß eine von der Differenz beider Intervallängen |
| abhängige Regelspannung gebildet und zur Frequenz- |
| nachregelung des einstellbaren Oszillators verwendet |
| wird. Die Bildung der Regelspannung erfolgt hierbei |
| in der Weise. daß zwei Spannungsimpulse gebildet |
| werden, deren Länge jeweils mit dem Zeitintervall |
| und dem Vergleichsintervall übereinstimmt. Durch |
| Differenzbildung entsteht dann aus diesen Impulsen |
| ein Korrekturimpuls, dessen Länge die eigentliche |
| Regelgröße darstellt und dessen Polarität die Regel- |
| richtung angibt. Bei derartigen Schwingungserzeugern |
| besteht der Nachteil, daß bei einer größeren Fre- |
| quenzverstimmung des zu regelnden Oszillators, d. h. |
| bei zu großen Längenunterschieden zwischen dem |
| Zeitintervall und dem Vergleichsintervall, eine Stö- |
| rung in der Korrekturimpulsreihe auftritt, die zu |
| einer Verminderung der Regelwirkung führt. Dies ist |
| darin begründet, daß die Regelgröße mit dem positi- |
| ven bzw. negativen Frequenzfehler nicht in einem |
| monotonen, sondern in einem periodischen Zusam- |
| menhang steht. Alle Werte der Regelgröße wieder- |
| holen sich nach Überschreiten eines durch die Folge- |
| frequenz der einzelnen Zeitintervalle bzw. Vergleichs- |
| intervalle bestimmten Frequenzfehlers. Aus diesen |
| Gründen ist bei den beschriebenen Schwingungserzeu- |
| gern eine vollautomatische Abstimmung bzw. Nach- |
| stimmung nicht möglich. |
| Der monotone Zusammenhang zwischen Frequenz- |
| fehler und Regelgröße wird in einer weiteren bekann- |
| ten Anordnung gewährleistet, bei der ein wertmäßig |
| einstellbarer Zähler vorgesehen ist, der periodisch |
| innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls über fre- |
| quenzteilende Mittel derart an einen nachzuregelnden |
| Oszillator geschaltet wird, daß er jeweils eine Teil- |
| folge der Oszillatorausgangsimpulse abzählt, wobei |
über frequenznachstellende Mittel des Oszillators eine vom Zähler
gesteuerte Frequenzregelung in der Weise erfolgt, daß der Unterschied zwischen dem
jeweiligen Zählergebnis und der am Zähler fest eingestellten Zahl verkleinert wird.
Hierbei ist der schaltungstechnische Aufwand für den Zähler besonders groß, da die
Steuerung der Nachregelung unmittelbar von den einzelnen Zähldekaden aus erfolgt.
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Vorliegende Erfindung betrifft einen die genannten Nachteile nicht
aufweisenden Schwingungserzeuger mit einstellbarer Ausgangsfrequenz hoher Konstanz
unter Verwendung eines frequenzmäßig einstellbaren und eines frequenzstabilisierten
Oszillators, bei dem eine von einem der beiden Oszillatoren abgeleitete Impulsfolge
einem einstellbaren Zähler zugeführt wird und ein nach Erreichen einer eingestellten
Impulszahl abgelaufenes Zeitintervall mit einem von dem anderen Oszillator abgeleiteten
Vergleichsintervall derart verglichen wird, daß eine von der Differenz beider Intervallängen
abhängige Regelspannung gebildet und zur Frequenznachregelung des einstellbaren
Oszillators verwendet wird, der dadurch gekennzeichnet, ist, daß dem zur Ableitung
des Vergleichsintervalls dienenden Oszillator, vorzugsweise unter Zwischenschaltung
von frequenzteilenden Mitteln, eine erste, das Vergleichsintervall bestimmende Kippstufe
nachgeschaltet ist, die mit ihren beiden Ausgängen an je einen Eingang zweier Torschaltungen
angeschlossen ist, daß über den Ausgang der einen Torschaltung die Regelmittel zur
Frequenzerhöhung und über den Ausgang der anderen Torschaltung die Regelmittel zur
Frequenzerniedrigung gesteuert werden, daß die zweiten Eingänge jeder dieser beiden
Torschaltungen mit den Ausgängen einer zweiten Kippstufe verbunden sind, die bei
Erreichen einer vorbestimmten Zahl von Zählimpulsen umschaltet, und daß eine dritte
Kippstufe vorhanden ist, die gemeinsam mit der ersten Kippstufe gesteuert wird,
jedoch mittels einer Verzögerungsschaltung ein verlängertes Intervall mit gleichem
Anfangszeitpunkt liefert, an dessen Ende die Rückstellung des Zählers und der zweiten
Kippstufe erfolgt.
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Der Schwingungserzeuger nach der Erfindung muß dabei nicht in der
Nähe seiner Sollfrequenz arbeiten, um die Nachregelwirkung zu gewährleisten. Es
besteht vielmehr die Möglichkeit, den eigentlichen Zählvorgang beim überschreiten
des durch die Kippstufe gegebenen Zeitintervalls bei starker Verstimmung des nachzustellenden
Oszillators abzubrechen und den nächsten MeßzykIus zu dem von der Ausgangsfrequenz
des Steueroszillators festgesetzten Zeitpunkt normal zu beginnen. Dabei wird die
Nachregelspannung auf einem relativ stetigen Wert gehalten, der zum Ende jeder Meßperiode
entsprechend der dann vorliegenden Verstimmung verändert wird.
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Weitere Vorteile des Schwingungserzeugers nach der Erfindung sind
der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten
Ausführungsbeispiels entnehmbar. Hierbei zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten
Anordnung in schematischer Darstellung, während Fig.2 die zur Erläuterung der Wirkungsweise
erforderlichen Zeitdiagramme enthält.
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In Fig. 1 ist der frequenzmäßig einstellbare erste Oszillator mit
Os 1 bezeichnet. Die stabilisierte Ausgangsfrequenz kann am Punkt A abgenommen werden.
Mit Vorteil, der später noch erläutert wird, kann 0s 1 ein Oszillator mit einer
Widerstands-Kondensator-Kombination als frequenzbestimmendes Mittel sein. Die beispielsweise
zur Frequenzänderung vorgesehene veränderbare Kapazität C ist außerhalb des mit
0s 1 bezeichneten Kästchens dargestellt; sie besteht aus einer großen Anzahl einzelner
Kondensatoren, die mittels der Stufenschalter S 1' bis S5' wahlweise eingeschaltet
werden können. Im allgemeinen ist es bei Oszillatoren mit Widerstands-Kondensator-Kombination
zur Erzielung eines weiten Frequenzvariationsbereichs vorteilhaft, in mindestens
zwei Zweigen des Netzwerkes veränderbare Elemente vorzusehen; in diesem Fall wird
man eine zweite Serie wahlweise einschaltbarer Kondensatoren anordnen, die über
eine zweite Kontaktebene von den Schaltern S1' bis S5' gleichzeitig geschaltet werden.
Ebenso könnte zweckmäßig nur ein Teil dieser Schalter zur Kapazitätsvariation und
der Rest zur Widerstandsvariation benutzt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
wurde jedoch von allen diesen Möglichkeiten abgesehen und in Fig. 1 nur eine einzige
Kapazitätsvariation dargestellt. Parallel zu der einstellbaren Kapazität C liegt
ein Drehkondensator Cx, der über eine aus dem Untersetzungsgetriebe F und dem Motor
M bestehende Regeleinrichtung nachgestellt werden kann.
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Ost ist ein quarzgesteuerter Oszillator, der mittelbar als Frequenznormal
dient. Seine Frequenz wird in den Tellerstufen D 1 und D 2 in geeigneter
Weise herabgesetzt und damit einerseits eine Kippschaltung N 1 / N 2 periodisch
zum Kippen gebracht, z. B. wie dies in Fig. 2, Zeile a, dargestellt ist. Zunächst
sei diese Kippschaltung in der stabilen Lage, in der N 1 am Ausgang eine Spannung
abgibt (in Fig. 2, Zeile a, als schwarzer Balken dargestellt); zu einem Zeitpunkt
t0 kippt die Schaltung in die zweite stabile Lage, wobei am Ausgang von N2 eine
Spannung entsteht. Sie bleibt in dieser Lage bis zum Zeitpunkt t 1, wobei die Zeit
zwischen t 0 und t 1 als Vergleichsintervall bezeichnet ist. Als einfaches
Zahlenbeispiel soll z. B. zugrunde gelegt werden, daß die Zeit zwischen
t 0 und t 1 genau, d. h. mit Quarzgenauigkeit, 1 Sekunde beträgt.
Andererseits wird von der Tellerstufe D2 auch die Kippstufe M1/M2 zum Kippen
gebracht, derart, daß sie zum Zeitpunkt t0 aus dem stabilen Zustand M I in den stabilen
Zustand M2 hinüberkippt (Zeile b in Fig. 2). Das Zurückkippen in die
Lage M 1 soll jedoch zum Zeitpunkt t2, d. h. etwas später als t l, erfolgen. In
der Fig. 1 ist dies durch eine Verzögerungsschaltung Vz, die dem Eingang von M 1
vorgeschaltet ist, angedeutet. Wird die Tellerstufe D 2 als Zählschaltung ausgeführt,
so kann die Steuerung von M 1 unmittelbar von einer etwas später liegenden
Zählstufe aus erfolgen als die Steuerung von N l; dabei kann auf die besondere Verzögerungsschaltung
Vz verzichtet werden. Die Zeit t 0 bis t2, die im folgenden als verlängertes
Intervall bezeichnet ist, kann an sich weitgehend beliebig gewählt werden. Bei dem
dargestellten Beispiel ist sie um etwa IOo/o länger als das Vergleichsintervallt0
bis t1. Die beschriebenen Kippvorgänge wiederholen sich fortlaufend; in Fig. 2 ist
ein zweiter Zyklus mit den entsprechenden Zeiten t0', t1' und t2' dargestellt.
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Um die Schwingungen des Oszillators 0s 1 bequem zählen zu können,
ist es vorteilhaft, diese in entsprechende Impulse umzuformen. In Fig. 1 ist dies
dadurch angedeutet, daß die sinusförmigen Schwingungen zunächst mittels einer Begrenzer-
oder Trigger-
Schaltung T in Rechteckschwingungen umgewandelt werden
und in der Differenzier- und Impulsformerstufe P eine entsprechende Impulsreihe
abgeleitet wird. Um eine für die Zählung in bezug auf das von der Kippstufe Nl./N2
bestimmte Vergleichsintervall t0, t1 günstige Frequenzlage zu erhalten, kann
die Frequenz des Oszillators Os 1 zuvor in geeigneter Weise vervielfacht
oder geteilt werden.
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Wie Fig. 1 zeigt, werden die Ausgangsspannung von M2 und die von P
gelieferte Impulsreihe gemeinsam auf die beiden Eingänge einer Koinzidenzschaltung
G1 gegeben. Diese wird zum Zeitpunkt t0 durchlässig, und die zuvor in Nullstellung
befindliche Zähleinrichtung (Z l bis Z5) beginnt die Impulse von P zu zählen. Die
Zähleinrichtung ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel als fünfstufiger Zähler
mit den beispielsweise dekadischen Zählstufen Z1 bis Z5 angenommen worden. Die Anzahl
der Zählstufen ist dabei ein Maßstab für die Genauigkeit und Konstanz der letztlich
von 0.s 1 abgegebenen Frequenz. Im Bedarfsfalle können weitere Zählstufen hinzugefügt
werden, wobei jedoch unter anderem die Frequenzgenauigkeit des Quarzoszillators
Ost eine sinnvolle Grenze setzt. Mittels der StufenschalterSl bis S 5 kann an jeder
Zählstufe ein Wert zwischen 0 und 9 abgegriffen werden, wobei S1 die Einer, S2 die
Zehner, S3 die Hunderter usw. angibt. Die einzelnen Zählstufen geben beim Durchlauf
der Impulse über die im Falle eines dekadischen Zählsystems vorgesehenen, vom zugehörigen
Stufenschalter abgreifbaren zehn Ausgänge nacheinander jeweils einen Impuls ab.
Nur wenn gleichzeitig in allen fünf Zählstufen der mit Hilfe der Stufenschalter
S1 bis S5
vorher fest eingestellte Zahlenwert durchlaufen wird, erhält die
nachgeschaltete Torschaltung G2 an allen fünf Eingängen gleichzeitig einen Impuls.
Damit entsteht auch ein Ausgangsimpuls, der die Kippschaltung K 1/ K 2 aus der Ruhestellung
K 1 in die Stellung K 2 kippen läßt. Erfolgt der Kippvorgang genau zum Zeitpunkt
t 1, so heißt das, daß die Frequenz des Oszillators 0s 1 genau dem eingestellten
Sollwert entspricht. Ist die Frequenz von 0.s 1 zu hoch, wird K1/K2 umkippen, bevor
das Vergleichsintervall abgelaufen ist. Die einzelnen Vorgänge sind für diesen Fall
in den Zeilen c bis J der Fig. 2 dargestellt. Zeile c zeigt, zum Zeitpunkt t 0 beginnend,
die über die Koinzidenzschaltung G 1 in die Zähleinrichtung einlaufende Impulsreihe.
Zum Zeitpunkt tx werden die an den Stufenschaltern S1 bis S5 eingestellte
Impuls- bzw. Schwingungszahl erreicht; die Kippschaltung K 1 / K 2 kippt in die
Stellung K 2 (Zeile (1), und die Torschaltung G 3, der einerseits die Ausgangsspannung
von K2, andererseits die Ausgangsspannung von N2 zugeführt wird, liefert, solange
diese beiden Spannungen in Koinzidenz sind, d. h. von tx bis zum Ende t
1 des Vergleichsintervalls, eine Ausgangsspannung (Zeile e in Fig. 2) an
den Verstärker V l. Dieser verstärkt die Spannung derart, daß der Kondensator C
1 über den Widerstand R 1 etwa zeitproportional aufgeladen wird (zwischen tx und
t1 in Zeile f von Fig. 2). Der Kondensator entlädt sich anschließend langsam über
die Widerstände R 3, R 4
und den Nachstellmotor M, und der Drehkondensator
Cx wird in der Art verstellt, daß die Schwingungen des Oszillators Osl nach niedrigeren
Frequenzen hin geregelt werden. Zum Zeitpunkt t2 werden mittels der Ausgangsspannung
von M 1 die Zählstufen Z 1 bis Z 5 sowie die Kippstufe K 1 / K
2 wieder in Ruhestellung gebracht. Anschließend läuft, mit t0' beginnend,
ein gleichartiger Zyklus von neuem ab. Falls der Frequenzfehler von 0s 1 während
des ersten Vorganges noch nicht ausreichend korrigiert worden ist, wird C
1 von tx' bis t1' erneut aufgeladen.
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Wenn die vom Oszillator 0s 1 abgegebene Frequenz niedriger als der
Sollwert ist, laufen die durch die Zeitdiagramme der Zeilen g bis k in Fig. 2 veranschaulichten
Vorgänge ab. Ist das Vergleichsintervall zum Zeitpunkt t 1 abgelaufen, bevor die
an den Stufenschaltern S1 bis S5 der Zähleinrichtung eingestellte Zahl durchlaufen
wird (Zeitpunkt ty in Zeile g), erhält die Torschaltung G4 vom Zeitpunkt
t 1 an Spannung sowohl von N 1 und M 2 als auch von Kl. Die
Torschaltung G4 ist daher geöffnet und gibt eine Spannung ab (Zeile i), die im Verstärker
V 2 verstärkt wird und über R 2 den Kondensator zeitproportional auflädt (Zeile
k in Fig. 2). Zum Zeitpunkt t y spricht K 2 an, die Ausgangsspannung
von KI verschwindet, sperrt die Torschaltung G4 und beendet damit den Aufladungsvorgang.
Die anschließende Entladung von C2 erfolgt mit entgegengesetzter Polarität über
den Nachstellmotor M, und der Drehkondensator C wird im Sinne einer Frequenzerhöhung
der Schwingungen von Os 1 verstellt. Zum Zeitpunkt t2 erfolgt wieder die Rückstellung
der Zählstufen Z 1 bis Z 5 der Zähleinrichtung und der Kippschaltung K
1 / K 2. Auch in den Zeilen g bis k von Fig. 2 ist angenommen worden,
daß der erste Korrekturvorgang zur Einstellung der Sollfrequenz von 0.s
1 noch nicht ausreichend war; von t0' bis t2' ist ein anschließender Vorgang
dargestellt, dem dann unter Umständen noch einige weitere folgen, bis der Frequenzfehler
von 0s l beseitigt ist.
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Wie schon weiter oben erwähnt wurde. ist es besonders vorteilhaft,
den Oszillator 0s 1 mit einer Widerstands-Kondensator-Kombination als frequenzbestimmendes
Mittel auszuführen. Die einzelnen Stufen von C (Fig. 1) können dann unmittelbar
als Frequenzdekaden ausgebildet werden. Damit können gemäß weiterer Erfindung der
StufenschalterSl der Zähleinrichtung und der StufenschalterSl' der Einstellmittel
sowie S2 und S2' usw. jeweils durch eine gemeinsame Achse angetrieben
werden, wodurch die Bedienung außerordentlich vereinfacht wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in
verschiedener Weise abgeändert werden. So können beispielsweise die ZählcinrichtungZl,Z2
usw. sowie die stufenweise veränderbare Kapazität C statt in Dezimalstufen auch
in Dualstufen geschaltet werden. Auch kann die Anzahl der schaltbaren Stufen am
Kondensator C geringer sein als die Anzahl der Zählstufen Z1, Z2 usw. Werden z.
B. die kleinsten Stufen von C weggelassen, so ändert sich nichts an der letztlich
eingeregelten Frequenzgenauigkeit, weil der Drehkondensator Cx die verminderte Einstellgenauigkeit
von C ausgleicht.
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Für viele Zwecke der Meßtechnik ist eine gewobbelte Frequenz mit sehr
hoher Genauigkeit und Konstanz des über die Zeit gemittelten Wertes erforderlich.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung erlaubt es hierbei, mit wenigen Zusatzeinrichtungen
diese Forderung zu erfüllen. Es muß dabei nur die Bedingung eingehalten werden,
daß auf das Vergleichsintervall t0 bis t1 eine ganze Zahl von Wobbelperioden trifft.
Das ist z. B. gewährleistet, wenn von einem geeigneten Punkt der Frequenzteilerstufen
D1, D2 eine
Schwingung entsprechender Frequenz abgenommen
und damit z. B. ein parallel zu C bzw. C x geschalteter Wobbelkondensator angetrieben
oder eine parallel geschaltete Reaktanzröhre gesteuert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Schwingungserzeugers
nach der Erfindung kann beispielsweise an Stelle der zeitproportionalen Rufladung
von Kondensatoren C 1 bzw. C 2 eine zeitproportionale (kontinuierliche
oder stufenweise) Verstellung eines Regelgliedes erfolgen, das dabei eine Spannung
von zeitproportionaler Größe in geeigneter Polung jeweils für die gesamte Dauer
einer Meßvorgangsperiode bereitstellt. Diese Spannung kann auch wieder als Antrieb
für einen Nachstellmotor dienen, sie kann aber auch zur unmittelbaren Steuerung
von Reaktanzröhren verwendet werden, die an Stelle des Drehkondensators Cx vorgesehen
sind.
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Im einfachsten Falle, den man im allgemeinen bei geringeren Ansprüchen
an die Frequenzkonstanz anwenden wird, genügt es auch, nur die Richtung des jeweiligen
Fehlers festzuhalten und davon abhängig an Stelle einer Regelspannung definierter
Amplitude lediglich einen Korrekturimpuls konstanten Betrages auszulösen.
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Grundsätzlich können die Oszillatoren Os 1 und 0.s2 miteinander vertauscht
werden. Hierbei wird dann gewissermaßen das mit der Ausgangsfrequenz des Oszillators
0s 1 in seiner Länge schwankende Vergleichsintervall t 0, t
1 über die Koinzidenzschaltung G 1 mit einer Reihe von Impulsen verglichen,
die ihrerseits von der Ausgangsspannung des quarzkontrollierten Oszillators Ost
abgeleitet sind und somit als Normalimpulse zu bezeichnen sind. Um die Nachregelung
der Länge des Vergleichsintervalls und somit der Ausgangsfrequenz des Oszillators
Os 1 im richtigen Sinne durchzuführen, ist gleichzeitig z. B. die Antriebsspannung
an den Klemmen des Nachstellmotors M umzupolen. Obwohl diese Anwendungsart eine
Zählung proportional dem Kehrwert der Frequenz erfordert, sind jedoch wesentliche
Vorteile damit verbunden, insbesondere bei der Erzeugung sehr niedriger Frequenzen,
die bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erzielung ausreichender
Genauigkeit sehr stark, d. h. mit großem Aufwand, vervielfacht werden müßten oder
zu einem unpassend großen Meßintervall führen würden.