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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine automatische
Einstellschaltung für ein Analogfilter, das in einer
Analogsignalverarbeitung verwendet wird, und insbesondere auf
eine automatische Einstellschaltung zum automatischen
Abstimmen einer Mittenfrequenz eines Analogfilters mit hoher
Genauigkeit, damit sie genau der Bezugsfrequenz eines
Eingangssignals entspricht. Die Druckschrift EP 158 231
(Hitachi) offenbart eine solche automatische
Einstellschaltung.
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Eine herkömmliche automatische Einstellschaltung,
beispielsweise für ein Analogfilter, das in einer analogen
Phasensynchronisationsschleifenschaltung in einem
Farbhilfsträgersignalsystem mit 3.58 MHz eines
Farbfernsehempfängers verwendet wird, ist so wie in Fig. 1
dargestellt aufgebaut. In der wiedergegebenen integrierten
Halbleiterschaltung bezeichnet das Bezugszeichen 41 ein
Analogfilter eines Typs mit veränderlicher Verstärkung, das
ein Eingangssignal Si einer Bezugsfrequenz fs empfängt. Die
Mittenfrequenz (fo) des Analogfilters 41 wird durch Steuern
seiner Verstärkung (gm) gemäß einem Vorspanneingangssignal
verändert. Das Analogfilter 41 ist beispielsweise ein
Tiefpaßfilter. Ein Phasendetektor 42, der beispielsweise aus
einem Vervielfacher besteht, erfaßt die Phase des
Ausgangssignals des Analogfilters 41 in Bezug auf das
Eingangssignal Si, das durch eine Signalleitung 45 geliefert
wird, und gibt ein Komponentensignal aus, das von der
Phasendifferenz abhängt. Ein Glättungskondensator 43, der
außen an die integrierte Schaltung angeschlossen ist, dient
zum Glätten des Ausgangssignals des Phasendetektors 42, um es
so in ein Gleichstromsignal umzuwandeln. Das
phasendetektierte Ausgangssignal als Gleichstromsignal wird
als ein sehr kleines, abstimmendes Vorspanneingangssignal
durch eine Rückkopplungsschleife 46 an das Analogfilter 41
rückgeführt. Ein veränderlicher Widerstand 44, der außen an
die integrierte Schaltung angeschlossen ist, dient zum
Anlegen einer groben Einstellvorspannungseingabe an das
Analogfilter 41.
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Bei der automatischen Einstellschaltung für das Analogfilter
wird, um die Filtercharakteristik des Analogfilters 41 so
einzustellen, daß die Mittenfrequenz "fo" des Analogfilters
41 der Bezugsfrequenz "fs" des Eingangssignals Si entspricht,
zuerst eine grobe Abstimmung durchgeführt, so daß die
Mittenfrequenz "fo" des Analogfilters 41 in einen
vorbestimmten Bereich im Bezug auf die Bezugsfrequenz "fs"
fällt, und zwar durch manuelles Einstellen des äußeren
veränderlichen Widerstandes 44. Dann führt der Phasendetektor
42 automatisch eine Feineinstellung des Analogfilters 41
durch sein Ausgangssignal herbei.
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Die Operation der Einstellung der Filtercharakteristik von
Hand ist jedoch mit vielen Nachteilen behaftet. Insbesondere
ist die Einstellung sehr mühsam. Weiter ist es im Falle, daß
die Filtercharakteristik des Analogfilters nach der
Einstellung von der richtigen Charakteristik abweicht, oft
unmöglich, diese Filtercharakteristik einzustellen. Da weiter
der veränderliche Widerstand 44 das außen an die integrierte
Schaltung angeschlossene Element ist, wird der Bediener
behindert, wenn er die integrierte Schaltung verwendet.
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Um eine automatische Einstellung der Filtercharakteristik des
Analogfilters 41 über ein breites Frequenzband durchzuführen,
muß das Frequenzband durch Verringern der Trennschärfe Q des
Filters verbreitert werden. Daher ist es unmöglich, eine
exakte Feineinstellung der Filtercharakteristik
durchzuführen.
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Im Falle, daß das Analogfilter 41 ein Filter hoher
Trennschärfe Q ist, ist es erforderlich, zuvor die
Mittenfrequenz "fo" des Analogfilters 41 in die Nähe der
Bezugsfreguenz "fs" einzuregeln und einzustellen, ehe eine
automatische Feineinstellung erfolgt. Auch in diesem Falle
besteht immer noch der Nachteil der mühsamen Einstellung von
Hand und auch der Nachteil des häufigen Unvermögens,
Gegenmaßnahmen gegen die Abweichung der eingestellten
Filtercharakteristik zu treffen.
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Wie oben beschrieben, hat die herkömmliche automatische
Einstellschaltung für analoge Filter die folgenden Nachteile:
1) Da die Filtercharakteristik von Hand eingestellt werden
muß, ist das Einstellen subtil und mühsam. 2) Wenn nach dem
Einstellen die Filtercharakteristik von der richtigen
Charakteristik abweicht, tritt der Fall ein, daß keine
Maßnahme in Bezug auf die abgewichene Filtercharakteristik
getroffen werden kann. 3) Da der veränderliche Widerstand 44
als dasjenige Teil benötigt wird, das außen an die
integrierte Schaltung angeschlossen wird, engt dies den
Konstrukteur ein, wenn er eine Schaltung auf Basis der
integrierten Schaltung entwirft. 4) Um eine automatische
Einstellung des Analogfilters über ein breites Frequenzband
durchzuführen, muß das Frequenzband durch Verringern der
Trennschärfe Q des Filters verbreitert werden.
Dementsprechend ist es unmöglich, eine Feineinstellung der
Filtercharakteristik mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
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Es ist demgemäß ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
automatische Einstellschaltung für ein Analogfilter zu
schaffen, die eine völlig automatische Einstellung bewirkt,
um die Mittenfrequenz "fo" des gesteuerten Filters der
Bezugsfrequenz "fs" des Eingangssignals gleichzumachen, und
zwar unter Verwendung von Analogfiltern, die im gleichen Chip
wie dem des einzustellenden Filters ausgebildet sind, wobei
die Schaltung ein sog. einstellungsfreies Verfahren
praktiziert.
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Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung einer automatischen Einstellschaltung für ein
Analogfilter, die eine automatische Einstellung der
Filtercharakteristik eines Analogfilters über einen breiten
Frequenzbereich bewirkt.
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Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die
Schaffung einer automatischen Einstellschaltung für ein
Analogfilter, das leicht in eine integrierte Schaltung
eingearbeitet werden kann, wodurch die Handhabung verbessert
wird.
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Um diese Ziele zu erreichen, wird eine automatische
Einstellschaltung für ein Analogfilter bereitgestellt, die
zum automatischen Einstellen der Mittenfrequenz eines
Analogfilters dient, das auf einen vorbestimmten
Verhältniswert in Bezug auf eine Bezugsfrequenz eines
Eingangssignals, durch automatisches Justieren der
Mittenfrequenz des in der automatischen Einstellschaltung
enthaltenen Analogfilters, so eingestellt werden soll, daß
die Mittenfrequenz der Bezugsfrequenz des Eingangssignals
entspricht, aufweisend:
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- zwei Analogfilter mit unterschiedlicher Trennschärfe,
jeweils zum Empfangen des Eingangssignals der
Bezugsfrequenz, wobei die Mittenfrequenzen der
Analogfilter jeweils in Übereinstimmung mit daran
angelegten Vorspanneingangssignalen verändert werden;
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- Zweiphasendetektoren, die entsprechend mit den beiden
Analogfiltern verbunden sind, wobei jeder der
Phasendetektoren die Phase des Eingangssignals mit der
Phase eines Ausgangssignals des Analogfilters vergleicht
und ein Signal auf der Basis der Phasendifferenz
zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal
erzeugt; und
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- eine Vorspanneingangssignal-Erzeugungsschaltung zum
Erzeugen eines Vorspanneingangssignals durch Kombinieren
der Ausgangssignale der beiden Phasendetektoren, und
Umwandeln des kombinierten Signals in ein
Gleichstromsignal, wobei die Vorspanneingangssignal-
Erzeugungsschaltung das Vorspanneingangssignal an die
beiden Analogfilter rückkoppelt und dasselbe an das zu
steuernde Analogfilter liefert.
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Mit einem solchen Schaltungsaufbau werden, damit die
Mittenfrequenzen der Analogfilter mit unterschiedlichen
Trennschärfen in der automatischen Einstellschaltung beide
der Bezugsfrequenz des in die Analogfilter gelangenden
Eingangssignals entsprechen, die Mittenfrequenzen der
Analogfilter in der automatischen Einstellschaltung
automatisch durch das Vorspanneingangssignal justiert, das
von den Phasendetektoren in Übereinstimmung mit den
Frequenzdifferenzen erzeugt wird. Gleichzeitig wird das
Vorspanneingangssignal an das einzuregelnde Analogfilter
geliefert, das auf einem einzelnen Chip gebildet ist, in
welchem auch die automatische Einstellschaltung gebildet ist.
Eine grobe Einstellung wird auf der Basis des Ausgangssignals
des Phasendetektors durchgeführt, der in Verbindung mit dem
Analogtilter geringer Trennschärfe steht. Eine
Feineinstellung wird auf der Basis des Ausgangssignals des
Phasendetektors durchgeführt, der in Verbindung mit dem
Analogfilter hoher Trennschärfe steht. Die
Anpassungsgenauigkeit der Mittenfrequenz des auf die
Bezugsfrequenz des Eingangssignals einzuregelnden
Analogfilters wird sowohl durch die Trennschärfe des
Analogfilters mit hoher Trennschärfe, als auch durch den
Verhältniswert der Ausgangssignale der beiden
Phasendetektoren in der automatischen Einstellschaltung
bestimmt.
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Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden in der
nachfolgenden Beschreibung behandelt und gehen zum Teil ohne
weiteres aus der Beschreibung hervor; oder sie können durch
praktische Ausübung der Erfindung erkannt werden. Die Ziele
und Vorteile der Erfindung können mit Hilfe der Maßnahmen und
Kombinationen verwirklicht und erreicht werden, die in den
beigefügten Ansprüchen besonders dargelegt sind.
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Die Erfindung geht aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
deutlicher hervor.
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Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung
einbezogen sind und einen Teil derselben bilden,
veranschaulichen eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung. Zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung
und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsform dienen die Zeichnungen der
Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer
automatischen Einstellschaltung des Standes der
Technik für ein Analogfilter zeigt;
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Fig. 2 ist ein Schaltbild, das den Aufbau einer
automatischen Einstellschaltung für ein
Analogfilter gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der
Ausgangsamplitude/Frequenz-Kennlinie von
Analogfiltern, die zur Erläuterung der
Betriebsweise der automatischen Einstellschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung dient;
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Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Phase/Frequenz-
Kennlinie der Phasendetektoren, die zur Erläuterung
der Betriebsweise der automatischen
Einstellschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
dient; und
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Fig. 5 ist ein Schaltbild, das die Verbindung der
automatischen Einstellschaltung gemäß der
vorliegenden Erfindung mit den einzuregelnden
Analogfiltern zeigt.
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Fig. 2 zeigt eine automatische Einstellschaltung für ein
Analogfilter, das beispielsweise in einer analogen
Phasensynchronisationsschleifenschaltung eines
Farbhilfsträgersignalsystems mit 3.58 MHz eines
Farbfernsehempfängers verwendet wird.
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In der automatischen Einstellschaltung für ein Analogfilter
sind zwei Analogfilter 1 und 2, mit untereinander
verschiedenen Trennschärfen Qs, des Typs mit veränderlicher
Verstärkung (gm) in die integrierte Halbleiterschaltung
eingebaut. Die beiden Analogfilter 1 und 2 sind für den
Empfang jeweils entsprechend an ein Eingangssignal Si mit der
Bezugsfrequenz "fs" angelegt. Die Mittenfrequenzen "fo" der
Analogfilter 1 und 2 werden jeweils entsprechend den an sie
angelegten Vorspanneingangssignalen verändert. Die
Phasendetektoren 3 und 4, die beispielsweise aus
Vervielfachern bestehen, sind entsprechend an die beiden
Analogfilter 1 und 2 angeschlossen. Jeder der
Phasendetektoren vergleicht die Phase des Eingangssignals Si
mit der Phase eines Ausgangssignals des entsprechenden
Analogfilters und erzeugt auf der Basis der Phasendifferenz
zwischen dem Eingangssignal Si und dem Ausgangssignal des
entsprechenden Analogfilters ein Signal. Die Ausgangssignale
der beiden Phasendektoren 3 und 4 werden kombiniert, und das
zusammengesetzte Signal wird in ein Gleichstromsignal
umgewandelt. Das resultierende Signal wird als
Vorspanneingangssignal durch eine Rückkopplungsschleife 8 an
die Analogfilter 1 und 2 rückgeführt. Eine
Vorspanneingangssignal-Erzeugungsschaltung umfaßt einen
Glättungskondensator 5, der von außen an die integrierte
Halbleiterschaltung angeschlossen ist. Der Kondensator 5
glättet das aus der Kombination der Ausgangssignale der
beiden Phasendetektoren 3 und 4 resultierende Signal.
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Die beiden Analogfilter 1 und 2 sind beispielsweise
Tiefpaßfilter mit unterschiedlicher Trennschärfe. Die
Trennschärfe Q des Analogfilters 1 ist niedrig eingestellt,
beispielsweise auf 0.3, während diejenige des Analogfilters 2
hoch eingestellt ist, beispielsweise auf 3. Der
Frequenzbereich für die Grobeinstellung wird durch die
Trennschärfe Q des Analogfilters 1 bestimmt, während die
Einstellgenauigkeit durch die Trennschärfe Q des
Analogfilters 2 bestimmt wird. Ein erfaßter
Ausgangsverhältniswert, bzw. das Verhältnis der erfaßten
Ausgangsströme der Phasendetektoren 3 und 4, wird
beispielsweise mit 1 : 5 eingestellt. Der Grund dafür besteht
darin, daß das Ausgangssignal des Analogfilters 1 nur zur
Inbetriebnahme der automatischen Einstellschaltung benutzt
werden kann, während das Ausgangssignal des Analogfilters 2
die Steuerung der automatischen Einstellschaltung während des
Betriebs beherrscht.
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Die Genauigkeit der Anpassung der Mittenfrequenz "fo" des auf
die Bezugsfrequenz "fs" des Ausgangssignals einzuregelnden
Analogfilters wird durch die Trennschärfe Q des Analogfilters
2 und durch das Verhältnis der erfaßten Ausgangssignale der
Zweiphasendetektoren 3 und 4 in der automatischen
Einstellschaltung bestimmt.
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Nachfolgend wird die Betriebsweise der automatischen
Einstellschaltung für ein Analogfilter gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 5
beschrieben.
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Wie Fig. 3 zeigt, fällt eine Kurve "Aa", die die Änderung der
Amplitude des Ausgangssignals des Analogfilters 1 mit
niedriger Trennschärfe darstellt, mit der Zunahme der
Frequenz allmählich ab. Eine Kurve "Bb" die die Anderung der
Amplitude des Ausgangssignals des Analogfilters 2 mit hoher
Trennschärfe Q darstellt, fällt unmittelbar vor der Frequenz
"fs" des Eingangssignals abrupt ab. Wie Fig. 4 zeigt, fällt
eine Kurve "A", die die Änderung der Ausgangsphase des
Phasendetektors 3, der mit dem Analogfilter 1 niedriger
Trennschärfe Q verbunden ist, mit zunehmender Frequenz
allmählich ab. Eine Kurve "B", die die Änderung der
Ausgangsphase des Phasendetektors 4 darstellt, der mit dem
Analogfilter 2 hoher Trennschärfe Q verbunden ist, fällt in
der Nähe der Mittenfrequenz "fo" abrupt ab. In Fig. 4 sind
die Kurven A und B unter der Bedingung aufgezeichnet, daß die
Mittenfrequenz "fo" mit der Bezugsfrequenz "fs" des
Eingangssignals zusammenfällt. Wie aus der Figur hervorgeht,
ist der Variationsbereich der Phase des Analogfilters 1
breit, und dementsprechend ist auch das einstellbare
Frequenzband breit. Gewöhnlich ist das einstellbare
Frequenzband des Analogfilters 1 auf den Bereich zwischen
0,6fo und 1,4fo eingestellt. Andererseits ist das
einstellbare Frequenzband des Analogfilters 2 schmal.
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Damit die Phasendetektoren 3 und 4 die Ausgangssignale
erzeugen, muß die Amplitude des Eingangssignals über einem
bestimmten Pegel liegen, wie durch eine gerade Linie C in
Fig. 3 angezeigt ist. Wenn die automatische Einstellschaltung
unter der Bedingung anläuft, daß die Mittenfrequenzen "fo"
der Analogfilter 1 und 2 bei der in Fig. 3 dargestellten
Startfrequenz liegen, ist die Amplitude des Ausgangssignals
des Analogfilters 2 klein, und dementsprechend kann der
diesem Filter zugeordnete Phasendetektor 4 nicht mit dem
Ausgangssignal betrieben werden. Andererseits überschreitet
die Amplitude des Ausgangssignals des Analogfilters 1, dessen
Trennschärfe Q gering ist, die Linie C. Dementsprechend kann
der Phasendetektor 3 ein Vorspanneingangssignal Sb erzeugen
und durch die Rückkopplungsschleife 8 an die Analogfilter 1
und 2 anlegen. Durch dieses Vorspanneingangssignal werden die
Filter 1 und 2 grob justiert, und die Mittenfrequenzen "fo"
nähern sich allmählich der Bezugsfrequenz "fs" Das
Analogfilter 1 und der Phasendetektor 3 dienen also als
Starter für die automatische Einstellschaltung. Wenn die
Mittenfrequenz "fo" an die Bezugsfrequenz "fs" herankommt und
die Amplitude des Ausgangssignals des Analogfilters 2 den
Pegel der Linie C überschreitet, beginnt auch der
Phasendetektor 4 mit der Erzeugung eines
Vorspanneingangssignals Sb.
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Wie aus der Phase/Frequenz-Kennlinie der Phasendetektoren in
Fig. 4 hervorgeht, erzeugt der Phasendetektor 4 am
Startpunkt, an dem die Mittenfrequenz "fo" der Analogfilter
von der Bezugsfrequenz "fs" um einen vorbestimmten
Frequenzwert innerhalb des breiten, einstellbaren
Frequenzbandes des Analogfilters 1 getrennt ist, kein
Vorspanneingangssignal Sb, während dies aber der
Phasendetektor 3 tut. Das Vorspanneingangssignal Sb des
Phasendetektors 3 wird an die Analogfilter 1 und 2
rückgekoppelt. Es wird eine grobe Einstellung durchgeführt,
bei der die Mittenfrequenzen "fo" der Analogfilter 1 und 2
dazu gebracht werden, sich in die Nähe der Bezugsfrequenz
"fs" des Eingangssignals zu bewegen. Wenn durch die
Grobeinstellung die Mittenfrequenzen "fo" in den schmalen,
einstellbaren Frequenzbereich des Analogfilters 2 gelangen,
dessen Trennschärfe Q hoch ist, ändert sich das
Ausgangssignal des dem Analogfilter 2 zugeordneten
Phasendetektors 4 erheblich, selbst bei einer geringfügigen
Differenz zwischen diesen Frequenzen. In dieser Situation ist
die Rückkopplung auf der Basis des Ausgangssignal des
Phasendetektors 4 vorherrschend. Daher kann eine
Feineinstellung mit dem Ziel, die Mittenfrequenzen "fo" so
groß wie die Bezugsfrequenz "fs" des Eingangssignals zu
machen, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
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Wie Fig. 5 zeigt, wird die automatische Einstellschaltung für
das Analogfilter als integrierte Schaltung auf dem gleichen
Chip wie demjenigen bzw. denjenigen der einzustellenden
Analogfilter 31, 32, hergestellt. Die Analogfilter 31, 32,
... sind so konzipiert, daß selbst dann, wenn die
Absolutwerte der Widerstände R1, R2, ... und der
Kondensatoren C1, C2, ... der Filter ungleichmäßig sind, sich
die Zeitkonstanten 1/R1C1, 1/R2C2, ... im gleichen Maße wie
dem der Zeitkonstante 1/RC der Analogfilter 1 und 2 der
automatischen Einstellschaltung ändern. Die Bezugsfrequenz
"fs" ist durch folgende Gleichung gegeben:
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fs = α 1/RC;
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dabei ist: α eine Konstante
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α = RCfs.
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Die Mittenfrequenz "fo31" des Analogfilters 31 ist durch
folgende Gleichung gegeben:
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fo31 = α 1/R1C1
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= RC/R1C1 fs
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Auch die Mittenfrequenz "fo32" des Analogfilters 32 ist durch
folgende Gleichung gegeben:
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fo32 = RC/R2C2 fs
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Wenn das Vorspanneingangssignal Sb von der automatischen
Einstellschaltung durch die Rückkopplungsschleife 30 an die
Analogfilter 31, 32, ... geliefert wird, sofern die
Bezugsfrequenz "fs" nicht in den an die Analogfilter 31, 32,
... gelieferten Eingangssignals S1, S2, ... enthalten ist,
wird die Mittenfrequenz "fo" jedes der Analogfilter 31, 32,
... automatische so eingestellt, daß sie dem vorbestimmten
Verhältniswert in Bezug auf die Bezugsfrequenz "fs"
entspricht.
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Wie oben beschrieben, ist die automatische Einstellschaltung
für ein Analogfilter gemäß der vorliegenden Erfindung in der
Lage, eine völlig automatische Einstellung der
Filtercharakteristik durchzuführen, so daß die Mittenfrequenz
"fo" jedes der Analogfilter 31, 32, ... dem vorbestimmten
Verhältniswert in Bezug auf die Bezugsfrequenz "fs"
entspricht. Das heißt, daß ein sog. justierfreies Verfahren
erreicht wird. Weiter ist die Schaltung in der Lage, eine
automatische Einstellung der Filtercharakteristik eines
Analogfilters über einen breiten Frequenzbereich
durchzuführen. Weiter kann die automatische Einstellschaltung
leicht in eine integrierte Schaltung einbezogen werden,
wodurch eine Erleichterung bei der Handhabung geschaffen
wird.
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Die Bezugszeichen in den Ansprüchen dienen zum besseren
Verständnis und sollen den Umfang derselben nicht
beschränken.