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Schaltungsanorctimng zur Erzeugung von weiten deren Frequenz in Abhängigkeit von einem äusseren Signal veränderbar ist
Die Erfindung bezieht sich auf frequenzvariable Generatoren und betrifft insbesondere Schaltungsanordnungen zur Erzeugung von elektrischen Wellen, deren Frequenz sich unter der Steuerwirkung der Amplituden bzw. der Momentanwerte von äusseren Signalen ändert.
Es ist zuweilen erwünscht, ein Signal, dessen Momentanwert einer Folge von Änderungen unterworfen ist, in eine'Welle umzuwandeln, die eine analoge Folge von Frequenzänderungen aufweist. So hat
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eine Telephonleitung besser übertragen werden können, wenn sie vorher in eine elektrische Welle umgewandelt werden, die zwischen zwei vorgegebenen Frequenzen schwankt, welche den beiden Elementen, z. B. Zeichen und Pausen, der binären Signale entsprechen.
Eine bekannte Möglichkeit zur Umwandlung eines Signals veränderlicher Amplitude in eine entsprechende Welle veränderlicher Frequenz liegt in der Verwendung eines kippbaren Multivibrators. Bei Vakuumröhren ist es häufig möglich, die Ausgangsfrequenz eines solchen Multivibrators praktisch linear zu beeinflussen, indem das ankommende Signal veränderlicher Amplitude einer oder mehreren der Hauptvorspannungen des Multivibrators überlagert wird. Wenn versucht wird, diese Massnahmen analog in der Transistortechnik anzuwenden, zeigt es sich jedoch, dass der Basisstrom, der in jedem Transistor fliesst, selbst wenn der Transistor im Sinne einer Sperrung vorgespannt ist, erhebliche Nichtlinearitäten in den Änderungen der Ausgangsfrequenz zur Folge hat.
Es ist bereits eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen worden, welche die schädlichen Auswirkungen dieser äusseren Basisströme auf die Steuerung der Ausgangsfrequenz eines mit Transistoren bestückten Multivibrators behebt. Im wesentlichen umfasst diese Schaltungsanordnung einen Wellengenerator, der einen bistabilen Transistor-Multivibrator und einen Schaltkreis zum Kippen des Multivibrators zwischen seinen beiden stabilen Gleichgewichtszuständen aufweist, wobei dieser Schaltkreis von einem äusseren taktgebenden Kreis gesteuert wird, der mit Ausnahme der Kippzeitpunkte vom Multivibrator getrennt ist.
Jede Stufe des bistabilen Multivibrators wird durch den taktgebenden Kreis abwechselnd von dem nichtleitenden Sperr- oder Ausschaltzustand in den leitenden oder Einschaltzustand versetzt ; der taktgebende Kreis enthält zu diesem Zweck wenigstens eine Kapazität, deren Potential von einem Bezugswert auf einen durch das Eingangssignal bestimmten Wert geändert wird und nach dem Kippen des Multivibrators wieder zum Bezugswert zurückkehrt. Der Multivibrator wird gekippt, sobald das Potential am taktgebenden Kondensator einen vorgegebenen Zwischenwert zwischen dem Bezugswert und jenem Wert annimmt, bis zu dem es geändert wird. Da das Eingangssignal das Potential bestimmt, auf das sich der taktgebende Kondensator auflädt, wird hiedurch die Änderungsgeschwindigkeit des Potentials und damit auch die Ausgangsfrequenz des Generators festgelegt.
Die Schaltungsanordnung nach dem erwähnten Vorschlag eignet sich zwar zur Erzeugung von Impulsen, deren Folgefrequenz im wesentlichen in linearer Beziehung zu den Momentanwerten des angelegten äusseren Signals steht, doch hat sich gezeigt, dass der Frequenzbereich, innerhalb dessen eine genaue Linearität dieser Beziehung vorliegt, nicht für alle Anwendungsfälle ausreichend gross ist.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, den Bereich, innerhalb dessen die Aus-
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gangsfrequenz eines multivibratorartigen Schaltkreises unter der Steuerwirkung des Momentanwerte eines oder mehrerer äusserer Signale linear geändert werden kann, zu vergrössern.
FerneL befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, die Arbeitsweise des nach dem erwähnten Vorschlag verwendeten äusseren taktgebenden Kreises von der Amplitude des ankommenden Signals unabhängig zu machen. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, zu verhindern, dass Schwankungen des Basispotentials der Transistoren des bistabilen Multivibrators die Linearität der Arbeitsweise schädlich beeinflussen.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Wellen, deren Frequenz in Abhängigkeit vom Momentanwert zumindest eines äusseren Signals veränderbar ist und bei welcher ein zweistufiger Transistor-Multivibrator mit getrennten Eingangskreisen für beide Stufen vorgesehen ist, der mit einer vom Momentanwert des äusseren Signals abhängigen Geschwindigkeit gekippt wird, ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Signal auf einen taktgebenden Kreis mit einem taktgebenden Kondensator wirkt, wodurch das Potential an dieser Kapazität von einem ersten, durch eine Bezugspotentialquelle vorgegebenen Potentialwert in Richtung zu einem zweiten, durch das äussere Signal festgelegten Potentialwert geändert wird, dass ferner der Kondensator durch eine Schaltenrichtung mit einem der Eingangskreise des Multivibrators verbunden ist,
um die betreffende Stufe des Multivibrators aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand zu versetzen, sobald das Potential an dem taktgebenden Kondensator einen dritten, vorgegebenen Potentialwert erreicht, der zwischen dem ersten und dem zweiten Potentialwert liegt, und dass eine die Bezugspotentialquelle und einen zwischen dieser Potentialquelle und dem taktgebenden Kreis eingefügten Transistorschalter enthaltende Rückstelleinrichtung vorgesehen ist, welche den taktgebenden Kondensator praktisch gleichzeitig mit dem Kippen des Multivibrators auf den ersten Potentialwert zurückführt.
Nach einem Hauptmerkmal der Erfindung wird also der taktgebende Kreis bei einem Wellengenerator der erwähnten Art nach dem Kippen des bistabilen Multivibrators durch einen Transistorschalter, der direkt zwischen der taktgebenden Kapazität und einer Bezugspotentialquelle eingeschaltet ist, zurückgestellt. Wenn der Transistorschalter offen ist, ist die taktgebende Kapazität von der Bezugspotentialquelle abgetrennt und ihr Potential kann sich daher bis zu dem durch das Eingangssignal bestimmten Wert ändern. Bei geschlossenem Transistorschalter ist hingegen die taktgebende Kapazität an das Bezugspotential gebunden. Nach jedem Kippen des Multivibrators wird also die taktgebende Kapazität auf ein Potential zurückgeführt, das unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals ist.
Hiedurch wird der Frequenzbereich, innerhalb dessen die Schaltungsanordnung linear arbeitet, gegenüber dem erwähnten älteren Vorschlag wesentlich erweitert.
Nach einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung wird der bistabile Transistor-Multivibrator eines Wellengenerators der erwähnten Art zwischen seinen beiden stabilen Gleichgewichtszuständen dadurch hin-und hergekippt, dass abwechselnd jede Stufe vom Einschaltzustand in den Ausschaltzustand gebracht wild, statt umgekelut, wie dies bei der oben erwähnten Schaltungsanosdnung der Fall ist. Das Basispotential des leitenden Transistors des Multivibrators ist nämlich besser definiert als das Basispotential des gesperrten Transistors.
Dieses Merkmal der Erfindung ergibt daher eine grössere Gleichmässigkeit in der Aufeinanderfolge der Kippzeitpunkte des Multivibrators und verhindert, dass Schwankungen des Basispotentials des gesperrten Transistors die Linearität der Arbeitsweise des Generators schaad lich beeinflussen.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der bistabile Transistor-Multivibrator zwei Eingangskreise und zwei Ausgangskreise. Ferner sind zwei äussere taktgebende Kondensatoren vorgesehen, die über normalerweise in Sperrichtung vorgespannte Dioden mit je einem der Eingangskreise verbunden sind. Das Potential an den taktgebenden Kapazitäten wird abwechselnd von einem Bezugswert auf einen Wert geändert, der durch die Amplitude bzw. den Momentanwert wenigstens eines äusseren Signals bestimmt ist. Sobald das Potential eines jeden dieser Kondensatoren einen vorgegebenen Schwellen-oder Zwischenwert erreicht, wird die zugeordnete Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und dadurch die betreffende Stufe des Multivibrators aus dem leitenden oder Einschaltzustand in den nichtleitenden oder Ausschaltzustand gekippt.
Für die Rückstellung sind zwei Transistorschalter vorgesehen, die von den jeweils entgegengesetzten Ausgangskreisen des Multivibrators gesteuert werden und zwischen je einem der taktgebenden Kondensatoren und der Bezugspotentialquelle eingeschaltet sind. Praktisch gleichzeitig mit dem Kippen des Multivibrators wird der durch die jeweils gekippte Stufe gesteuerte Transistorschalter geschlossen, wodurch dieser den zugeordneten Kondensator mit dem Bezugspotential verbindet. Zur gleichen Zeit öffnet der andere Transistorschalter, trennt dadurch den zugeordneten takt- gebenden Kondensator von der Bezugspotentialquelle ab und ermöglicht dadurch eine Änderung des Poten-
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tials dieses Kondensators.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen ein bistabiler Multivibrator und zwei äussere taktgebende Kondensatoren vorgesehen sind, können sowohl durch ein einziges als auch durch zwei äussere Signale gesteuert werden. Wenn nur ein einziges äusseres Signal wirksam ist, so wird dieses zur Steuerung der Aufladegeschwindigkeit beider taktgebender Kondensatoren herangezogen. Sind hingegen zwei äussere Signale wirksam, so werden diese getrennt je einem der taktgebenden Kondensatoren zugeführt ; hiebei kann der zusätzliche Vorteil ausgenützt werden, dass das Tastverhältnis im abgehenden Impulszug des Multivibrators unabhängig von den Parametern der Schaltung steuerbar ist. Das Tastverhältnis wird dann einfach durch eine Änderung des Verhältnisses zwischen den äusseren Signalamplituden beeinflusst.
Solange dieses Verhältnis konstant gehalten wird, ergibt sich jedoch eine im wesentlichen lineare Steuerung der Ausgangsfrequenz oder der Impulsfolgefrequenz. des Multivibrators. Das Tastverhältnis kann natürlich auch durch entsprechende Regelung des Verhältnisses zwischen den Zeitkonstanten im Kreise der taktgebenden Kondensatoren beeinflusst werden.
Weitere Ziele und Merkmale der Erfindung sollen nunmehr an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden. Fig. l stellt im Blockschema das der Erfindung zugrundeliegende Schaltungsprinzip dar. Fig. 2 ist das Schaltschema eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Fig. 3A-3F stellen die an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 2 auftretenden Spannungverläufe dar.
Nach dem in Fig. l wiedergegebenen Blockschema wird ein bistabiler Multivibrator 8 verwendet, der zwei Eingänge aufweist, die mit je einem Schalter 9 bzw. 10 verbunden sind. Die andern Klemmen der Schalter 9 und 10 sind an zwei taktgebende Kreise 11 bzw. 12 angeschlossen. Zur Rückstellung dieser Kreise 11 und 12 am Ende ihrer Taktzyklen sind mit ihnen Rückstellkreise 13 bzw. 14 verbunden. Die Ausgänge des bistabilen Multivibrators 8 steuern über Verbindungsleitungen die Rückstellkreise 13 und 14.
Die beiden Eingangsklemmen 16 und 17, an welche die Eingangssignale veränderlicher Amplitude angelegt werden, sind mit den taktgebenden Kreisen 11 bzw. 12 verbunden, während die Ausgangsimpulse von einer Ausgangsklemme 15 abgenommen werden, die an einen der Ausgänge des bistabilen Multivibrators 8 angeschlossen ist.
Im Betrieb treten an den taktgeberden Kreisen 11 und 12 wellenförmige Spannungen auf, deren Amplituden sich in Abhängigkeit vom Momentanwert des zugeordneten Eingangssignals ändern. Sobald die Ausgangsspannung eines der taktgebenden Kreise 11 oder 12 einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht, wird sie über den zugeordneten Schalter 9 bzw. 10 dem Multivibrator 8 als Steuersignal zugeführt. Der Multivibrator 8 kippt bei der Einwirkung dieses Signals in den andern stabilen Gleichgewichtszustand und liefert dabei einen Ausgangsimpuls, der einem der Rückstellkreise 13, 14 zugeführt wird, welcher seinerseits den zugeordneten taktgebenden Kreis 11 oder 12, der eben einen Taktzyklus abge- schlossen hat, zurückstellt.
Wenn einer der Rückstellkreise 13 bzw. 14 durch den Ausgangsimpuls des Multivibrators 8 betätigt wird, so beginnt der jeweils andere taktgebende Kreis 11 oder 12 einen ähnlichen Taktzyklus. Auf diese Weise werden die taktgebenden Kreise 11 oder 12 abwechselnd wirksam, so dass der Multivibrator in Intervallen gekippt wird, die von den Amplituden der Eingangssignale abhän- gen.
Fig. 2 zeigt das Schaltbild eines speziellen Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der bistabile Multivibrator enthält zwei NPN-Transistoren 18 und 19, Widerstände 20 - 26 und einen Kondensator 27. Der Widerstand 26 und der Kondensator 27 sind parallel geschaltet und bilden einen Vorspannungskreis. Eine Klemme dieses Parallelkreises ist mit den Emitterelektroden der Transistoren 18 und 19 verbunden, wogegen die andere Klemme geerdet ist. Die Widerstände 20 und 21 sind zwischen Erde und den Basiselektroden der Transistoren 18 bzw. 19 eingeschaltet. Der Widerstand 22 ist zwischen der Kollektorelektrode des Transistors 18 und der Basiselektrode des Transistors 19, der Widerstand 23 analog zwischen der Kollektorelektrode des Transistors 19 und der Basiselektrode des Transistors 18 eingeschaltet.
Die Widerstände 24 und 25 liegen zwischen einer Quelle E'positiven Potentials und den Kollektorelektroden der Transistoren 18 bzw. 19.
Mit den Basiselektroden der Transistoren 18 und 19 sind Dioden 28 bzw. 29 verbunden, welche die Schalter 9 bzw. 10 in Fig. l bilden und so gepolt sind, dass die Durchlassrichtung von den Transistoren 18 bzw. 19 weg verläuft.
Der taktgebende Kreis 11 umfasst einen Widerstand 30 und einen seriengeschalteten Kondensator 32 ; der taktgebende Kreis 12 umfasst in analoger Weise einen Widerstand 31 und einen seriengeschalteten Kondensator 33. Der Verbindungspunkt von Widerstand 30 und Kondensator 32 ist an die zweite Klemme der Diode 28 angeschlossen, während der Verbindungspunkt von Widerstand 31 und Kondensator 33 an die
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zweite Klemme der Diode 29 angeschlossen ist. Die andern Klemmen der Kondensatoren 32 und 33 sind geerdet, wogegen die andern Klemmen der Widerstände 30 und 31 mit den Eingangsklemmen 16 bzw.
17 für die Signale E bzw. E verbunden sind.
Die Rückstellkreise 13 und 14 enthalten PNP-Transistoren 34 und 35, Widerstände 36 und 37 und eine Quelle E" eines positiven Bezugspotentials. Die Emitterelektroden der Transistoren 34 und 35 sind mit der
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elektrode des Transistors 34 und der Kollektorelektrode des Transistors 19 liegt. Die Kollektorelektrode des Transistors 34 ist mit dem Verbindungspunk. von Widerstand 30 und Kondensator 32 verbunden, während die Kollertorelektrode des Transistors 35 an den Verbindungspunkt von Widerstand 31 und Kondensator 33 angeschlossen ist.
Für die symmetrische Ausbildung der Schaltung nach Fig. 2 sind in den Fig. 3A-3F verschiedene Vorspannungsverläufe dargestellt. Die Fig, 3A und 3D geben den Verlauf der Spannungen e und eC2 an den Kollektorelektroden der Transistoren 18 bzw. 19 an. Die Fig. 3B und 3F zeigen den Verlauf der Spannun-
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lich den Verlauf der Spannungen el und e2 an den Kondensatoren 32 bzw. 33 dar. E und E2 geben die Momentanwerte der beiden Eingangssignale an (wie dargestellt ist El negativ und E2 positiv). Ea und Eb stellen die Schwellenwerte der Spannungen e und e dar, die zur kippenden Steuerung des Multivibrators 8 erforderlich sind. .
E" ist schliesslich das Bezugspotential für die Spannungen el bzw. e, auf welches die taktgebenden Kreise 11 und'12 durch die Transistoren 34 und 35 und die Bezugspotentialquelle Eil zurückgestellt werden
Vor dem in den Fig. 3A-3F eingetretenen Zeitpunkt to sind die Transistoren 18 und 35 gesperrt, die Transistoren 19 und 34 sind leitend, der Kondensator 32 befindet sich auf dem Bezugspotential E" (die Diode 29 ist in Sperrichtung vorgespannt) und der Kondensator 33 entlädt sich über den Widerstand 30 auf
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Zwischenwert Eb (Fig. 3F) erreicht, wird die Diode 29 in Durchlassrichtung vorgespannt (da darn Eb Klei- ner als eb2 ist) und der Transistor 19 geht in den Sperrzustand über (Fig.
3D), wodurch der Transistor 18 infòlge der kreuzweisen Verkopplung durch den Widerstand 23 (Fig. 3B) sofort leitend wird. Hieraus ist erkennbar, dass die erfindungsgemässe Kippanordnung die Änderung des Gleichgewichtszustandes des bistabilen Multivibrators durch Umschaltung des leitenden Transistors 111 den Sperrzustand veranlasst. Da das Basispotential des im Einschaltzustand befindlichen Transistors des Multivibrators besser als das Basispotential des gesperrten Transistors definiert ist, wird hiedurch in der Aufeinanderfolge der Kippzeitpunkte des Multivibrators eine grössere Gleichmässigkeit erzielt. Die Spannung ecl an-der Kollektorelektrode des Transistors 18 (Fig. 3A) ist auch mit der Basiselektrode des Transistors 19 (Fig. 3E) gekoppelt, welche diesen Transistor im gesperrten Zustand hält.
Ferner ist die Spannunge mit der Basiselektrode des Transistors 34 gekoppelt, um diesen Transistor vom leitenden Zustand in den gesperrten Zustand überzuführen, und schliesslich ist die Spannung cl auch mit der Basiselektrode des Transistors 35 gekoppelt, um diesen Transistor vom gesperrten in den leitenden Zustand zu bringen. Da die Folarität der Bezugspotentialquelle E"positiv ist, befinden sich die Kollektorelektroden der Transistoren 34 und 35 im wesentlichen auf dem positiven Wert von E", wenn die Transistoren leitend sind (im gesperrten Zustand der Transistoren sind die Kollektorelektroden vom Bezugspotential abgetrennt). Wenn der Transistor 34 oder 35 leitend ist, wird oder ist der Kondensator 32 bzw. 33 des taktgebenden Kreises 11 bzw. 12 auf das Bezugspotential E" aufgeladen.
Im Zeitpunkt to wird daher der Transistor 34 gesperrt und der Kondensator 32 beginnt sich über den Widerstand 30 auf den Wert El der Eingangsspannung zu entladen. Dies ist in Fig. 3C zwischen den Zeitpunkten to und tl dargestellt. Der Transistor 35 wird im Zeitpunkt to leitend, wodurch der Kondensator 33 über den Transistor 35 aufgeladen werden kann. Dieser Vorgang ist in Fig. 3F zwischen den
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kleiner als der Wert von eb, im Zeitpunkt t,), so wird die Diode 28 in Durchlassrichtung vorgespannt und der Transistor 18 wird gesperrt, was bewirkt, dass die Transistoren 19 und 34 leitend werden, der Transistor 35 hingegen ebenfalls gesperrt wird.
Im Zeitpunkt tl beginnt der Kondensator 33 sich auf den Wert E2 des Eingangssignals zu entladen und der Kondensator 32 beginnt mit der Aufladung auf das Bezugspotential E". Infolge der kreuzweisen Verkopplung durch die Widerstände 22 und 23 ist jede der Dioden 28 und 29 stets in Sperrichtung vorgespannt, ausgenommen dann, wenn das Potential an dem zugeordneten Kon- densator 32 oder 33 ausreicht. eine Änderung des Zustandes des Multivibrators 8 herbeizuführen. Sobald. dies. geschieht, wird die Diode 28 oder 29 so lange in Durchlassrichtung vorgespannt, bis der Transistor 18 oder 19 der andern Hälfte des Multivibrators 8 leitend wird.
Da die Dioden 28 und 29 mit Ausnahme der
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Steuerzeitpunkte stets gesperrt sind, sind die taktgebenden Kondensatoren 32 und 33 von den Transistoren 18 und 19 abgetrennt, so dass die Basisströme, welche in diesen Transistoren bei deren Vorspannung in Sperrichtung fliessen, den Aufladevorgang der Kondensatoren nicht störend beeinflussen.
Bei der vorstehenden Erläuterung des dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wurde angenommen, dass die Schaltung symmetrisch ausgebildet ist und dass an den beiden Eingangsklemmen 16 und 17 verschiedene Signalspannungen wirksam sind. Das TastverhKltnis im Ausgang des Multivibrators 8 wird dabei bloss durch das Verhältnis der Momentanwerte der beiden äusseren Signale gesteuert. Solange dieses Verhältnis konstant bleibt, erfolgt eine praktisch lineare Regelung der Ausgangsfrequenz oder der Impulsfolgefrequenz des Multivibrators 8. Wie schon erwähnt, kann an die beiden Eingangsklemmen gleichzeitigaucheinund dasselbe Signal angelegt werden, wobei dann die Frequenz der Ausgangsimpulse in linearer Beziehung zu dem Momentanwert dieses einzigen Eingangssignals steht.
Das beschriebene Beispiel erschöpft die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung nicht, sondern lässt noch verschiedene Abwandlungen zu.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Wellen, deren Frequenz in Abhängigkeit vom Momentanwert zumindest eines äusseren Signals veränderbar ist, bei welcher ein zweistufiger Transistor-Multivi- brator mit getrennten Eingangskreisen für beide Stufen vorgesehen ist, der mit einer vom Momentanwert des äusseren Signals abhängigen Geschwindigkeit gekippt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Signal auf einen taktgebenden Kreis (11) mit einem taktgebenden Kondensator (32) wirkt, wodurch das Potential an dieser Kapazität von einem ersten durch eine Bezugspotentialquelle (E") vorgegebenen Potentialwert in Richtung zu einem zweiten, durch das äussere Signal festgelegten Potentialwert geändert wird, dass ferner der Kondensator (32) durch eine Schalteinrichtung (9)
mit einem der Eingangskreise des Multivibrators (8) verbunden ist, um die betreffende Stufe (18) des Multivibrators aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand zu versetzen, sobald das Potential an dem taktgebenden Kondensator (32) einen dritten, vorgegebenen Potentialwert erreicht, der zwischen dem ersten und dem zweiten Potentialwert liegt, und dass eine die. Bezugspotentialquelle (E") und einen zwischen dieser Potentialquelle und dem taktgebenden Kreis (11) eingefügten Transistorschalter' (34) enthaltende Rückstelleinrichtung (13) vorgesehen ist, welche den taktgebenden Kondensator (32) praktisch gleichzeitig mit dem Kippen des Multivibrators auf den ersten Potentialwert zurückführt.