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Generator für symmetrische dreieckförmige Spannungen Die Erfindung
betrifft einen Generator für symmetrische dreieckförmige Spannungen, derenPeriodendauer
durch einen Rechteckgenerator bestimmt ist. Der Generator der Erfindung erzeugt
die linear ansteigenden und abfallenden Flanken der Dreieckspannung mit Hilfe zweier
Integrierglieder, die sich aus je einem Widerstand und einem gemeinsamen
Kondensator zusammensetzen.
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Spannungen mit zeitlich linearem Anstieg und Abfall lassen sich vorteilhaft
für Meß-, Regel- und Steuerzwecke verwenden, beispielsweise zur Steuerung der Horizontalablenkung
von Katodenstrahloszillografen, Pegelbildgeräten und ähnlichen Meßgeräten, um in
Spannungen oder Ströme umsetzbare Größen in Abhängigkeit von der Zeit darzustellen.
Verwendet man Spannungen dreieckiger Kurvenform zur Steuerung von Kapazitätsdioden
mit in Abhängigkeit von der angelenkten Spannung veränderlicher Kapazität, erhält
man linear ansteigende und wieder abfallende Kapazitätswerte, ähnlich wie bei stetigem
Durchdrehen eines Drehkondensators. In Zusammenhang mit einem Oszülator lassen sich
auf diese Weise Spannungen mit sich stetig von einem niedrigsten zu einem höchsten
Wert und umgekehrt verändernder Frequenz erzeugen. Der Generator für Spannungen
dreieckförmiger Kurvenforin ergibt somit zusammen mit einem Wechselspannungsgenerator,
der als frequenzbestimmendes Glied eine Kapazitätsdiode enthält, einen elektronisch
gesteuerten Ablaufgenerator, der während einer Schwingungsdauer der Dreieckschwingung
seinen Frequenzbereich zweimal - von der höchsten zur niedrigsten Frequenz
und umgekehrt - durchläuft. Die exakte Zeitabhängigkeit der Frequenz der
von diesem Generator jeweils abgegebenen Spannungen ermöglicht eine entsprechend
genaue Synchronisation von mit dem Generator zusammenwirkenden Meßgeräten und damit
auf einfache Weise eine spektrale Auflösung der Meßergebnisse. Gegenüber einer sägezahnförmigen
Steuerspannung hat die Dreieckform den Vorteil, daß sie eventuell vorhandene Unterschiede
im Verhalten der angeschlossenen Systeme in bezug auf die Änderungsrichtung von
Spannung oder Frequenz zu kleineren oder größeren Werten hin erfaßbar macht.
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Die Grundschaltung zum Erzeugen dreieckförmiger Spannungen besteht
im allgemeinen aus zwei Widerständen und einem Kondensator, der abwechselnd über
den einen Widerstand aufgeladen und über den anderen entladen wird. In einer bekannten
Anordnung sind die beiden Widerstände einseitig mit je einem Pol einer Spannungsquelle
verbunden, und der Kondensator liegt mit einem Belag ebenfalls an einem Pol der
Spannungsquelle (Bezugspotential), während sein zweiter Belag - üBerg einen
Umschalter wechselweise mit je einem der freien Anschlüsse der Widerstände
verbindbar ist. In der einen Stellung des Umschalters lädt sich der Kondensator
somit auf eine vom Bezugspotential abweichende Spannung auf, und in der anderen
Schalterstellung entlädt er sich gegen das Bezugspotential. Diese Anordnung wird
in bekannter Weise so dimensioniert, daß der Ladewiderstand groß gegen den Entladewiderstand
ist, da die treibende Spannung in beiden Fällen unterschiedlich ist. Die Dreieckspannungen
werden dabei aber unsymmetrisch. Gleich große Widerstände lassen sich hinwieder
nicht einsetzen, weil sie einen unverhältnismäßig langen Einschwingvorgang hervorrufen
würden, bei dem die Ausgangsspannung ebenfalls unsymmetrisch wäre.
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Eine andere bekannte Lösung ordnet den Kondensator zwischen den Katoden
zweier kreuzweise gekoppelter Röhren an und sieht zwei Spannungsquellen vor, deren
positive Pole mit je einer Anode und deren negative Pole einmal direkt mit
dem Gitter und zum anderen über einen Widerstand mit der Katode der jeweils anderen
Röhre verbunden sind. Diese Schaltung verbietet die Einführung eines Bezugspotentials.
Die am Kondensator auftretende Wechselspannung, die im übrigen nicht exakt dreieckförmig
ist, sondern einen Rechteckanteil enthält, muß daher über Differentialverstärker
abgenommen werden.
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Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, für die Kennlinienaufnahme
von zu prüfenden Bauelementen oder Geräten Dreieckgeneratoren einzusetzen, um damit
eine zeitlich proportionale Änderung der Eingangsgröße unter Berücksichtigung von
Irreversibilitäten
des zu untersuchenden Systems zu erzielen. Ein
bekannter Generator für Spannungen dreieckförmiger Kurvenforin besteht aus einem
Miller-Integrator mit einer selbsttätigen Schalteinrichtung zum zeitgerechten Umpolen
von dem Integrator eingangsseitig zugeführten Spannungen rechteckiger Kurvenform.
Der Miller-Integrator-besteht in der vorgeschlagenen Ausführung aus einem dreistufigen
Differenzverstärker mit vier Röhren, dessen Ausgangsspannung über einen Kondensator
auf den Eingang zurückgeführt wird. Die Schalteinrichtung arbeitet ün wesentlichen
mit einer Thyratron-Trigger-Schaltung und einem bistabilen Multivibrator.
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Die Erfindung bietet eine andere Lösung einer Anordnung zum Erzeugen
symmetrischer dreieckförmiger Spannungen an, die einfacher aufgebaut ist und erheblich
niedrigere Betriebsspannungen erfordert als die bekannten, auf den Einsatz von Röhren
angewiesenen Dreieckgeneratoren. Sie arbeitet gleichfalls mit einem Rechteckgenerator
und zwei Integriergliedem, die aus je einem Widerstand und einem gemeinsamen
Kondensator bestehen. Das wesentliche Merkmal dieser neuen Anordnung ist aber, daß
der Kondensator einseitig auf einem Punkt festen Potentials liegt und über Schaltmittel
während je einer Halbperiode der vom Rechteckgenerator erzeugten Rechteckwellen
abwechselnd mit je einem der etwa gleich großen Widerstände, von denen einer
an einer gegenüber dem Bezugspotential positiven Spannung und der andere an einer
gegenüber dem Bezugspotential negativen Spannung angeschlossen ist, verbunden
ist, so daß die Spannung am Kondensator in einer Halbperiode näherungsweise linear
änsteigend und in der anderen mit guter Näherung linear abfallend verläuft, und
daß der über Schaltmittel zu den Widerständen führende Anschluß des Kondensators
mit dem Eingang eines Impedanzwandlers verbunden ist, der eingangsseitig hochohmig
und ausgangsseitig niederohmig ist und an dessen Ausgang die dreieckförmige Wechselspannung
abnehmbar ist.
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Der den beiden Integriergliedem gemeinsame Kondensator wird also während
einer Halbperiode der Rechteckspannung über einen Widerstand an eine gegenüber der
Spannung am Fußpunkt der Integrierglieder negative Spannung angeschlossen und während
der anderen Halbperiode der Rechteckspannung über einen weiteren Widerstand an eine
gegenüber der Spannung am Fußpunkt positive Spannung gelegt. Nach einer Fortbildung
der erfindungsgemäßen Anordnung sind dazu nicht zwei Gleichspannungsquellen entgegengesetzter
Polarität erforderlich, vielmehr ist diese Ausführung des Generators für zeitlich
linear verlaufende Spannungen dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Gleichspannungsquelle
vorgesehen ist und der Fußpunkt der Integrierglieder an den Mittelabgriff eines
aus Widerständen, vorzugsweise im Verhältnis 1: 1, gebildeten Spannungsteilers
angeschlossen ist.
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Die so gewonnene Dreieckspannung ist von einer Gleichspannung in der
Höhe der sich am Mittelabgriff des Spannungsteilers einstellenden Spannung, bei
einem Widerstandsverhältnis von 1: 1 der Spannungsteilerwiderstände, also
der halben Betriebsspannung, überlagert. In manchen Anwendungsfällen ist es erforderlich
oder zweckmäßig, daß der Gleichspannungsanteil herauf- oder herabgesetzt wird, z.
B. auf einen Wert, der der Amplitude der Dreieckschwingungen entspricht. Zu diesem
Zweck sieht eine weitere Ausbildung der Erfindung vor, daß die mittlere Potentiallage
der Dreieckspannung durch Zenerdioden als Koppelglieder im Impedanzwandler verschoben
wird.
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Die Periodendauer der Dreieckschwingungen wird durch einen Rechteckgenerator
bestimmt. In einer Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung ist als Rechteckgenerator
ein astabiler Multivibrator bekannter Bauart vorgesehen.
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Da die Rechteckspannungen, um symmetrische Dreieckspannungen zu gewinnen,
ebenfalls symmetrische Halbperioden, also Impuls- und Pausenzeiten im Verhältnis
1: 1 aufweisen müssen, ist in einer Fortbüdung der erfirtdungsgemäßen Anordnung
vorgesehen, daß zur Erzeugung von Halbperioden genau gleicher Dauer dem Rechteckgenerator
ein bistabiler Multivibrator nachgeschaltet ist.
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Als Umschaltmittel für die beiden Integrierglieder; das während der
einen Halbperiode der Rechteckspannung jeweils das eine und während der zweiten
Halbperiode jeweils das zweite Integrierglied einschaltet, ist in einer Ausführungsforin
der Anor& nung nach der Erfindung ein Relais, und zwar vorzugsweise ein Trockenzungenrelais
mit quecksilberbenetzten Kontakten eingesetzt, das, eventuell unter Zwischenschaltung
eines Verstärkers, durch den Rechteckgenerator erregt wird.
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Der erfindungsgemäße Generator für Spannungen dreieckiger Kurvenforin
wird im folgenden -an Hand eines in der F i g. 1 dargestellten Beispiels
näher beschrieben und nach der Darstellung in F i g. 2 in seiner Wirkungsweise
erläutert.
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Als Taktgeber und frequenzbestimmende Steuerstufe enthält der Generator
einen Relaxationsschwinger 1, beispielsweise einen astabilen Multivibrator
bekannter Bauart, der Rechteckschwingungen mit gegenüber der gewünschten Dreieckschwingung
doppelter Frequenz, also halber Periodendauer erzeugt. Dem astabilen Multivibrator
1 ist ein bistabiler Multivibrator 2 nachgeschaltet, der durch einen ersten
positiven Eingangsünpuls von der Ruhelage in die Arbeitslage und durch einen zweiten
positiven Eingangsimpuls von der Arbeitslage zurück in die Ruhelage gebracht wird.
Der bistabile Multivibrator 2 wird also immer nur nach einer vollen Periode der
Rechteckschwingungen umgeschaltet und gibt somit Rechteckschwingungen mit gegenüber
denen des astabilen Multivibrators 1 halber Frequenz und doppelter Periodendauer
ab. Das Nachschalten eines bistabilen Multivibrators an einen astabilen Multivibrator
ist insofern von Vorteil, als sich die Periodendauer eines astabflen Multivibrators
einfach konstant halten läßt, während sich das Verhältnis seiner Impulszeit zu seiner
Pausenzeit wegen der Verschiedenheit der Bauelemente, die die beiden Zeiten bestimmen,
stets etwas verschiebt und nur mit sehr aufwendigen Mitteln stabilisieren läßt.
Durch die Frequenzuntersetzung, die der bistabile Multivibrator bewerkstelligt,
bleiben die Unsymmetrien im Verhältnis der Impulszeit zur Pausenzeit des astabilen
Multivibrators ohne Einfluß auf den Arbeitstakt der nachgeschalteten Anordnung und-
damit auch auf die Kurvenform der Dreieckschwingungen.
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An den bistabilen Multivibrator 2 ist ausgangsseitig eine Verstärkerstufe
3 angeschlossen, die ein
Relais 4 enthält. Solange sich der
BM 2 in der Ruhelage befindet, bleibt das Relais unerregt, sobald BM 2 in die Arbeitslage
übergeht, wird das Relais erregt und verharrt in seiner Lage, bis der BM wieder
in die Ruhelage zurückgestellt wird. Die Verstärkerstufe enthält in der dargestellten
Form zwei Transistoren, in dessen einen Kollektorkreis das Relais 4 eingeschaltet
ist. Der zweite Transistor dient lediglich dazu, die jeweils an einem der beiden
Transistoren zwischen Kollektor und Emitter auftretende Spannung auf die Hälfte
der Betriebsspannung, für die ün Beispiel der F i g. 1 60 V gewählt wurden,
herabzusetzen. Wenn nämlich der rechte Transistor gesperrt ist, ist der an den gegenphasigen
Ausgang von BM2 angeschlossene linke Transistor übersteuert und hält durch die Spannungsteilung
zwischen seinem Kollektorwiderstand und dem etwa gleich großen gemeinsamen Emitterwiderstand
den Emitter des rechten Transistors auf einem der halben Betriebsspannung entsprechenden
Potential, so daß am gesperrten rechten Transistor nur die halbe Betriebsspannung
liegt. Entsprechend ist, wenn der linke Transistor sperrt, der rechte übersteuert
und bewirkt, daß zwischen Kollektor und Emitter des linken Transistors ebenfalls
nur die halbe Betriebsspannung auftritt. Dem gleichen Zweck dienen auch die Emitterwiderstände
im astabilen Multivibrator 1
und bistabilen Multivibrator 2.
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Das Relais 4 muß möglichst prellfrei arbeiten; als besonders vorteilhaft
hat sich an dieser Stelle ein handelsübliches Trockenzungenrelais mit quecksilberbenetzten
Kontakten erwiesen. Die Kontakte von Trockenzungenrelais sind in eine Schutzgasatmosphäre
eingeschlossen und arbeiten deshalb innerhalb eines langen Zeitraums wartungsfrei
ohne wesentliche Veränderung ihrer Schalteigenschaften. Eine zusätzliche Benetzung
der Kontakte mit Quecksilber unterbindet Kontaktprellungen beim Umschalten.
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Der Kontakt 5 des Relais 4 verbindet während einer Halbperiode
der vom bistabilenMultivibrator2 abgegebenen Rechteckschwingungen den gemeinsamen
Kondensator 6 der beiden Integrierglieder 6, 7
und 6, 8 über
den Widerstand 7 mit dem einen Pol UB der Betriebsspannung und während
der zweiten Halbperiode über denWiderstand8 mit dem anderen Pol 0 der Betriebsspannung.
Die andere Seite des Kondensators, die dem Fußpunkt der Integrierglieder entspricht,
liegt am Mittelabgriff eines Spannungsteilers, der aus zwei gleich großen Widerständen
9
und 10 besteht. Am Punkt 16 liegt demnach eine mittlere Spannung
Um in Höhe der halben Betriebsspannung. Die Widerstände 9 und
10 des Spannungsteilers sind verhältnismäßig niederohmig, so daß
im
Einschaltmoment der rechte Belag des Kondensators 6 auf die gleiche
Spannung Um aufgeladen wird, die an seinem linken Belag 16 liegt. Wird gleichzeitig
das Relais 4 erregt, verbindet der Kontakt 5 den Kondensator 6 rechtsseitig
mit dem Widerstand 8,
und der Kondensator entlädt sich nach einer Exponentialfunktion
über den Widerstand 8 gegen die gegenüber Um als positiv angenommene
Spannung 0.
Nach einer Halbperiode der Rechteckspannung fällt das Relais 4
ab, und sein Kontakt 5 schließt nun den rechten Belag des Kondensators
6 über den Widerstand 7 an die gegenüber der Spannung Um als
negativ angenommene Spannung UB an. Der Kondensator lädt sich nun, von der
vorher erreichten positiven Spannung U, (F i g. 2) ausgehend, zu negativen
Werten hin auf. Da die Spannungsdifferenz UB - U,. größer ist als
die vorher herrschende Differenz Um - 0,
und zwar um den Betrag
der Spannungsdifferenz Ul- Um, geht die Aufladung schneller vonstatten, und
der nach der Halbperiode erreichte Wert U,
liegt jenseits von Um im
negativen Bereich. Während der nächsten Halbperiode tritt wieder eine Entladung
gegen 0 ein, bei deren Ende die Spannung U, zwischen Um und
0 erreicht wird. Diese Entladung geht langsamer vor sich als die vorhergehendeAufladung,
da die zeitbestimmende Spannungsdifferenz U2-0
wieder kleiner ist; deshalb
ist der Endwert U3 etwas weniger positiv als der bei der ersten Halbperiode
erreichte Endwert Ul. Auf diese Weise pendelt sich die Dreieckspannung am Kondensator
6 während der ersten Perioden auf ein mittleres Potential ein, das der Spannung
Um am Fußpunkt 16 der Integrierglieder entspricht. Ist beim Einschalten
des Generators das Relais 4 nicht erregt, gilt das entsprechende mit umgekehrten
Polaritäten. In der Darstellung nach F i g. 2 sind also nur UB und
0 miteinander zu vertauschen, um den Spannungsverlauf am Kondensator
6 in diesem Fall zu erhalten. An den Kondensator 6 ist ein Impedanzwandler
angeschlossen, der einen gegenüber denWerten. derWiderstände 7 und
8
hohen Eingangswiderstand aufweist. Im Beispiel nach Fig.,1 besteht dieser
Impedanzwandler aus zwei Transistoren12 und 13 in Kollektorschaltung, mit
denen sich ohne weiteres ein Verhältnis von Eingangswiderstand zu Ausgangswiderstand
von 2500: 1 und darüber erzielen läßt. Die Dreieckspannung steht also am
Ausgang des Impedanzwandlers niederohmig zur Verfügung.
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Die in F i g. 1 dargestellte Schaltung ist ausgelegt auf eine
Betriebsspannung UB von - 60 V. Am Fußpunkt16 derIntegrierglieder
liegen dementsprechend -30 V, und der Kondensator 6 lädt sich abwechselnd
während jeder zweiten Halbperiodenzeit gegen - 60 V auf und entlädt sich
während jeder dazwischenliegenden Halbperiodenzeit gegen 0. Die Zeitkonstanten
der Integrierglieder sind gleich groß und etwa fünfmal größer als die Halbperiodendauer
der Rechteckschwingungen, die das Relais umschalten. Beispielsweise arbeitet der
astabile Multivibrator mit einer Frequenz von 1 Hz, entsprechend einer Halbperiodendauer
von 1/2 Sekunde. Die vom bistabilen Multivibrator abgegebenen Schwingungen weisen
dann eine Frequenz von 1/2 Hz und eine Halbperiodendauer von 1 Sekunde auf.
Das Relais 4 wird also jeweils 1 Sekunde erregt und bleibt 1 Sekunde
in Ruhestellung. Sein Kontakt 5 verbindet dann den Kondensator
6 ebenfalls je 1 Sekunde lang über den Widerstand 8 mit
0 der Betriebsspannung und 1 Sekunde lang über den Widerstand
7 mit dem Minuspol der Betriebsspannung. Setzt man einen Kondensator
6 mit einer Kapazität von 10 RF ein und mißt man den Widerständen
7 und 8 je 470 k9 zu, liegt die Zeitkonstante beider Integrierglieder
bei 4,7 Sekunden, also dem 4,7fachen der jeweiligen Lade-und Entladezeit. Nach der
bekannten Funktion
ändert sich die Spannung am Kondensator nach dem erwähnten Einpendeln in die mittlere
Betriebslage während jeder Halbperiode der steuernden Rechteckschwingung dann um
etwa 6 V, die sich symmetrisch
zur Spannung Um am Fußpunkt
der Integrier-. glieder verhalten. Mit Um = - 30 V werden somit
Schwingungen zwischen etwa -33 V und -27 V erreicht.
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Da der Kondensator jeweils nur auf einen Bruchteil der treibenden
Spannung aufgeladen wird, im,
Dimensionierungsbeispiel etwa ein Zehntel, ergibt
sich -mit guter Näherung eine lineare Zeitabhängigkeit der jeweils am Kondensator
6 anstehenden Spannung. An seinem rechten Belag stehen infolgedessen Dreieckschwingungen
mit einer Frequenz von 1 Hz und einer Amplitude von 3 V, überlagert
von einer Gleichspannung von -30 V, zur Verfügung.
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An der rechten Seite des Kondensators 6 ist - wie erwähnt
- ein Impedanzwandler angeschlossen, der im Beispiel der F i g. 1
aus zwei npn-Transistoren. 12 und 13 in Kollektorschaltung besteht. Ordnet
man dem ersten Transistor 12 einen Emitterwiderstand. von 220 kQ zu, beträgt der
Eingangswiderstand . der Impedanzwandlerstufe bei einem Stromverstärkungsfaktor
des Transistors 12 von 50
etwa 10 MQ; er ist.somit groß gegenüber den
Widerständen 7 und 8 der Integrierglieder und bleibt ohne Einfluß
auf die Lade- und Entladekurve des Kondensators 6. Die Transistoren 12 und
13 sind zwischen Um = - 30 V und UB = - 60
V angeschlos-.sen, se daß ihre Betriebsspannung 30 V beträgt. Damit-die Dreieckspannungen
nicht verzerrt werden,-wenn die Spannung am Kondensator unter -30V absinkt, ist
zur Ankopplung des Impedanzwandlers eine Zenerdiode 11 mit einer Zenerspannung
von etwa 15 V vorgesehen, die die mittlere Potentiallage der Dreieckspannung
um 15 V nach negativen Werten hin verschiebt. Am Emitter von Transistor 12
stehen jetzt Dreieckspannungen mit ebenfalls 3 V Amplitude, überlagert von
einer Gleichspannung von etwa -45 V an, desgleichen am Emitter von Transistor
13. Wird als Emitterwiderstand von Transistor 13 ein Widerstand von
4,7 kQ vorgesehen, beträgt der Ausgangswiderstand des Impedanzwandlers und damit
auch der Innenwiderstand der dort abgegriffenen Dreieckschwingungen etwa
100 Q bei einem Stromverstärkungsfaktor des Transistors von 50.
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In manchen Anwendungsfällen ist eine andere mittlere Potentiallage
der Dreieckspannungen erwünscht, z. B. eine der Schwingungsamplitude entsprechende
mittlere Potentiallage, mit der die Minima gerade Nullpotential erreichen. Im beschriebenen
Beispiel entspricht das einer Mittellage von -3 V. Zur Verschiebung der mittleren
Potentiallage ist im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 eine weitere Zenerdiode
14 am Ausgang des Impedanzwandlers vorgesehen, die eine Eiurchbruchspannung von
42 V aufweist und gegebenenfalls auch durch mehrere Zenerdioden mit entsprechend
niedrigeren Zenerspannungen ersetzt werden kann. Dieser Zenerdiode kann im Bedarfsfall
eine Verstärkerstufe 15 nachgeschaltet werden, um den Innenwiderstand des
Generators noch weiter herabzusetzen. Am Ausgang der Verstärkerstufe 15 stehen
dann sehr niederohmig Dreieckspannungen mit einer Amplitude von 3 V und einer
mittleren Potentiallage von - 3 V an.
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Die angegebene Dimensionierung ist ebensowenig bindend wie die Schaltung
von Impedanzwandler und Verstärker, die je nach Anwendungsfall durch andere
bekannte Schaltungsarten ersetzt werden können.