DE3040553A1

DE3040553A1 - Vorrichtung zum verstaerken und tasten von analogsignalen

Info

Publication number: DE3040553A1
Application number: DE19803040553
Authority: DE
Inventors: Claude Henouville Beauducel; Jacques Le Chesnay Cretin
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Compagnie Generale de Geophysique SA
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; CGG SA
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1981-08-27
Also published as: NO153079C; NO803205L; IT8025468A0; DE3040553C2; CA1159139A; JPS5673912A; JPS6318890B2; NO153079B; US4378527A; FR2469040A1; IT1133960B; NL8005898A; GB2062989A; FR2469040B1; GB2062989B

Description

Vorrichtung zum Verstärken und Tasten von Analogsignalen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung und zum Tasten von multiplexierten Analogsignalen großer Dynamik, d.h. deren Niveau zu großen Veränderungen fähig ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist besonders geeignet, in eine seismische Datenabfragekette zwischen einem Multiplexer und einem Analog/Digital-Wandler eingebaut zu werden.

Nach einem bekannten Verfahren werden die seismischen Signale aus jedem Geophon oder jeder Gruppe von Geophonen direkt bis zu den Eingängen eines Analogmultiplexers nach einer vorherigen Verstärkung in einem Vorverstärker mit festem Verstärkungsgrad geführt. Der Ausgang des Multiplexers, wo eine Aufeinanderfolge von Signalen verfügbar ist, ist mit einem einzigen Verstärker verbunden, der aus einer Kette von in Reihe angeordneten Verstärkungselementen gebildet ist, wobei deren jeder Ausgang mit dem folgenden Eingang verbunden ist. Der Verstärkungsgrad jedes Verstärkungselements ist fest und wird vorzugsweise gleich einer ganzen Potenz der Zahl 2 gewählt.

Da die Amplitudenänderung zweier beliebiger aufeinander folgender Tastproben sehr groß sein kann, wählt ein Wählorgan die Anzahl von Verstärkungseinheiten aus, die jedes Signal zum Erreichen eines optimalen Niveaus durchlaufen muß und schaltet den Ausgang des Verstärkungselementes, wo dieses Signal verfügbar ist, auf den Eingang eines Analog/Digitalkonverters, der mit einem Aufzeichnungssystem verbunden ist.

Nach einer ersten beispielsweise in der FR-PS 2 110 758 beschriebenen Variante haben sämtliche Verstärkungselemente

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einen gleichen Verstärkungsgrad. Nach einer zweiten Variante sind die Verstärkungsgrade der verschiedenen Verstärkungselemente jeder Kette bezüglich einander unterschiedlich; ihre Werte sind unter aufeinanderfolgenden Potenzen der Zahl 2 gewählt. Ein Ausführungsbeispiel ist in der französischen Patentanmeldung 2 373 914 beschrieben, die einen aus η Stufen bestehenden Verstärker betrifft, wobei der Verstärkungswert einer beliebigen Verstärkungsstufe gleich dem Quadrat des Werts des Verstärkungsgrades der vorhergehenden Verstärkungsstufe ist.

Die aus einer Reihe von hintereinander geschalteten Verstärkungselementen bestehenden Verstärker zeitigen zahlreiche Nachteile:

- Sie sind relativ langsam, da die durch die verschiedenen von den Signalen durchlaufenen Verstärkungselementen herbeigeführten Verzögerungen sich kumulieren;

- die Einflüsse der relativen Langsamkeit des Ansprechens jedes Verstärkungselements im Impulsbetrieb, gekennzeichnet durch ihre Zeit des Spannungsanstiegs, summiert über die gesamte Kette der in Reihe geschalteten Elemente, können dazu beitragen, die Gesamtansprechgeschwindigkeit des Verstärkers zu begrenzen;

- die Dauer . des Wähl ens des Verstärkungsgrades, das das Wählorgan durchführen soll, um den Ausgang der Stufe zu wählen, an dem die Amplitude der verstärkten Tastprobe optimal ist, ist umso größer, je länger die Verstärkungskette ist;

- wenn man den Verstärkungsgrad jeder Stufe

erhöht, um so die Verstärkungskette verkürzen zu können, xvird es notwendig, einen Analog/Digitalkonverter zu verwenden, der in der Lage ist, längere digitalisierte Worte zu behandeln, wenn man eine gleiche Präzision am

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Mantissenwert beibehalten win;

- zu nennen wäre noch die Sättigung der Verstärkungselemente, die sich leicht beim Übergang von einer Tastprobe geringer Amplitude auf eine andere einstellen kann, deren Wert deutlich höher liegt.

Im übrigen liegt ein Nachteil der Datensammeleinrichtungen mit einem kopfseitigen Multiplexer in der Tatsache, daß man zum Speichern des Werts der Tastprobe während der Verstärkungswahl ein Speicherelement verwenden muß, das üblicherweise als Tast- und Haltekreis bezeichnet wird und vor dem Verstärker angeordnet ist; es muß somit Signale großer Dynamik verarbeiten können, d.h. genausogut starke wie schwache Signale speichern. Man weiß aber, daß ein den in der Praxis verwendeten Tast- und Haltekreisen innewohnender Nachteil in der Tatsache zu sehen ist, daß sie es nicht ermöglichen, nacheinander zi\ei Tastproben korrekt zu speichern, ohne daß sich eine gegenseitige Wechselwirkung (Diaphonie) einstellen würde, derart daß der gespeicherte Wert der Amplitude einer Tastprobe abhängig vom gespeicherten Wert der Amplitude der vorhergehenden Tastprobe ist. Die Fehler aufgrund der Diaphonie werden dann in der Kette maximal um einen Faktor verstärkt, der gleich der maximalen Verstärkung der Verstärkungskette ist. Darüber hinaus bestehen die Tast- und Haltekreise im allgemeinen aus einem Speicherkondensator und zwei Pufferverstärkerstufen, welche die Verstärkerkette verlängern. Darum sind fünf oder sechs Verstärkungselemente wenigstens zur Bildung eines Verstärkers notwendig.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglicht es, die oben genannten Nachteile zu vermeiden. Sie umfaßt eine kontinuierliche Kette aus mehreren Verstärkungselementen in Reihe,

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deren Verstärkungsgrade festgelegte Werte haben. Sie zeichnet sich aus durch: Kondensatoren, die so ausgebildet sind, daß sie die Spannungen an den Ausgängen sämtlicher Verstärkungselemente speichern; Schalteinrichtungen zum Modifizieren der Verstärkungsgrade der Verstärkungselemente, um intermittierend die Ausgangsspannungen sämtlicher Verstärkungselemente jeweils an die Eingänge der Speicherkondensatoren zu legen und um selektiv die in den Kondensatoren gespeicherten Spannungen an den Eingang der kontinuierlichen Kette aus Verstärkungselementen zu legen und schließlich Einrichtungen, die so ausgebildet sind, daß sie die Ausgangsspannungen mehrerer Verstärkungselemente mit einer Bezugsspannung vergleichen und die Schalteinrichtungen dahingehend betätigen, daß sie den Verstärkungseiementen einen optimalen Verstärkungsgrad verleihen.

Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung drei Verstärkungselemente in Reihe; der Verstärkungsgrad des ersten ist gleich Eins; die Verstärkungsgrade der beiden anderen Elemente haben wenigstens zwei bestimmte von Eins unterschiedliche Werte. Darüber hinaus umfassen die Wähleinrichtungen zwei jeweils mit den Ausgängen des zweiten

und des dritten Verstärkerelements verbundene Komparatorcn sowie ein Wählorgan zum Wählen der optimalen Werte des Verstärkungsgrads für die gespeicherten Spannungen.

Man sieht, daß die Vorrichtung nach der Erfindung die doppelte Funktion des Verstärkers mit variablem Verstärkungsgrad und des Tast- und Haltekreises erfüllt und hierbei eine geringe Anzahl von Verstärkungselementen verwendet, die vorteilhaft auf drei vermindert sein kann. Die durch die Reihenschaltung der Verstärkungselemente herbei geführten Nachteile werden so äußerst gering.

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Andererseits dind die Speicherkondensatoren zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen angeordnet und sind selektiv mit dem Eingang der Kette aus Verstärkungselementen verbunden, wobei die maximale Verstärkung der Fehlerspannung, die systematisch die gespeicherten Spannungen beeinflußt, sehr viel geringer ist, als wenn die Datensammeleinrichtungen kopfseitig mit dem Tast- und Haltekreis versehen sind.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in:

- Fig. 1 schematisch die Vorrichtung gemäß der Erfindung;

- Fig. 2 Zeitdiagramme der Steuersignale der verschiedenen zum Arbeiten der Vorrichtung verwendeten Unterbrecher und Schalteinrichtungen, welche während aufeinanderfolgender Testzyklen erzeugt wurden, wobei die Testzyklen jeweils in sieben Zeitintervalle Mq, M . . . M„ unterteilt sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit dem Ausgang eines Multiplexers (Fig· I) über einen elektronischen Unterbrecher Iq verbunden. Diese Vorrichtung enthält ein erstes Verstärkungselement, das durch einen Pufferoperationsverstärker Aq gebildet ist, dessen Verstärkung gleich Eins ist. Sein nicht intervertierender Eingang ist mit dem Unterbrecher Iq, sein Ausgang einerseits mit dem nicht invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkerelements, das durch einen Operationsverstärker A₁ gebildet ist, und an-

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dererseits mit einer ersten Klemme eines ersten Speicherkondensators C₁ über einen elektronischen Unterbrecher Ie₁ verbunden; die zweite Klemme dieses Kondensators ist an Masse gelegt. Der Ausgang des Verstärkers A₁ ist über drei Reihenwiderstände R-.., R-2 und -, 2 an Masse gelegt. Der invertierende Eingang des Ver

stärkers A- ist mit dessen Ausgang über einen elektronischen Unterbrecher Ig-Ii* mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₁₁ und R₁₂ über einen elektronischen Unterbrecher Ig₁4, und mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₁2 und R₁J über einen elektronischen Unterbrecher Ig₁₁,- verbunden. Die drei Widerstände R₁₁? R-i ο ^unc* ^i 3

und die drei Unterbrecher Ig₁-I, *Si4 ^un<^ ^^116 ein übliches Gegenkopplungsnetz, welches es ermöglicht, dem Verstärker A₁ entweder eine Verstärkung gleich Eins, eine Verstärkung gleich Vier oder eine Verstärkung gleich Sechzehn zu verleihen. Der Ausgang des Verstärkers A₁ ist mit einer ersten Klemme eines Kondensators C₂ über einen elektronischen Unterbrecher Ie₂ verbunden; die zweite Klemme dieses Kondensators ist an Masse gelegt. Der Ausgang des Verstärkers A₁ ist außerdem mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers A„ verbunden, der das dritte Verstärkungselement bildet, dessen Ausgang über drei in Reihe geschaltete Widerstände R₂₁, R₂₂ und R₂₃ an Masse gelegt ist. Der invertierende Eingang des Verstärkers A„ ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₂₁ und R₂₂ über einen elektronischen Unterbrecher Ig₇₂ und mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₂₂ und R₂, über einenelektronisehen Unterbrecher Ig₂₁₆ verbunden. Die Widerstände R₂-I, R92' ^23 ^un(^ ^^e Unterbrecher Ig₂₂ und Ig₂-Ig bilden also ebenfalls ein Gegenkopplungsnetz, das so ausgebildet ist, daß es dem Verstärkungsgrad des Verstärkers A₂ entweder den Wert Zwei oder den Wert Sechzehn verleiht. Der Ausgang des Verstärkers A ist weiter mit einer ersten Klemme eines Speicherkondensators C_ über einen Unterbrecher Ie, verbunden; die zweite Klemme des Kondensators ist an Masse gelegt. Die erten Klemmen der Spei-

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cherkondensatoren C., C₂, C, sind mit dem nicht invertierenden Eingang des Pufferverstärkers A» über je einen Unterbrecher I₁, I- bzw. I_ verbunden. Die Ausgänge der Verstärker A. und A- sind jeweils einerseits mit dem Eingang eines Analogdigitalkonverters 2 über elektronische Schalter S4 und S5 und andererseits mit Wähleinrichtungen verbunden, die aus zwei logischen Komparatorelementen CO₁ und CO2 und einem Wählorgan 3 gebildet sind. Die Komparatorelemente sind so ausgebildet, daß sie die Amplitude der verstärkten Tastproben mit einer Bezugsspannung REF vergleichen, die vom Analogdigitalkonverter 2 geliefert wird und Vergleichersignale DP₁ und DP_ liefern, deren Amplituden jeweils den logischen Niveaus 0 oder 1 entsprechen, je nachdem, ob die Amplituden der Tastproben kleiner oder größer als die Bezug.— spannung ist.

Die Ausgänge der logischen Komparatorelemente CO und CO₂ sind mit den Eingängen des Wählorgangs 3 verbunden, das so ausgebildet ist, daß es Steuersignale CI für die Unterbrecher oder elektronischen Schalter der Vorrichtung und des Multiplexers 1 entsprechend dem logischen Niveau der Signale DP₁ und DP₂ erzeugt. Die Gesamtheit von Unterbrechern und Schaltern bilden die Schalteinrichtungen.

Die Funktionsweise der von ihrem Wählorgan 3 gesteuerten Vorrichtung wird nun anhand der Zeit-Diagramme der Fig. dargestellt, wobei das obere Niveau dem öffnen der Unterbrecher oder Schalter und das untere Niveau ihrem Schließvorgang entspricht. Man unterscheidet generell:

- eine Tastphase, in der man jeweils an die Speicherkondensatoren C₁, C₇ bzw. C, Spannungen entsprechend der Eingangsspannung legt, die mit den Verstärkungsgraden 1 bzw. 16 bzw. 256 behaftet sind;

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- eine zweite Phase, in der eine der gespeicherten Spannung selektiv an den Eingang der Kette von Verstärkungselementen angelegt wird. Während dieser zweiten Phase wählt man den an das zweite und dritte dieser Elemente zu legenden Verstärkungsgrad, um eine optimale Ausgangsspannung zu erhalten, welche kompatibel mit dem maximalen für die nachgeschalteten Elemente (Analogdigitalkonverter) zulässigen Pegel ist.

Die Vorrichtung arbeitet im einzelnen wie folgt:

- Man schaltet den Multiplexer auf den gewählten Empfangsweg ;

- die Unterbrecher I₁, I₂, I₃, Ig₁₁, ¹Si₄* ¹S₂Z ^bleiben offen; man steuert den Schließvorgang der Unterbrecher Iq, Ie₁, Ie₂* ^^e%> Ig-. - ^ und Ig₂₁^. Die Amplitude der Tastprobe wird im:Kondensator C₁ mit einer Verstärkung gleich Eins und im Kondensator C₂ mit einer Verstärkung von 16 gespeichert. Die eine zweistufige Verstärkung in den Verstärkern A₁ und A₂ erfahrende Tastprobe wird im Kondensator C₇ mit einer Verstär-

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kung von 16 oder 256 gespeichert;

- die Unterbrecher Ie₁, Ie₂, Ie, und Iq werden wieder gesperrt; der Zustand der anderen Unterbrecher verbleibt unverändert, wodurch die verschiedenen verstärkten Werte der Probe blockiert oder gespeichert werden; gleichzeitig hält man die am Ende der Tastperiode erreichten Werte DP₁ und DP_? fest. Drei Fälle können sich einstellen:

a) Wenn DP₁ und DP dem logischen Niveau 1 entsprechen, dann bedeutet das, daß die Verstärkung G = 16 am Verstärker A₁ (durch das Schließen von Ig₁₁₆) und die Verstärkung G = 256 an der Gesamtheit beider in Reihe geschalteter Verstärker A₁ und A₇, (durch das Schließen von Ig₂₁,) zu hoch ist. In diesem Falle schließt man den Unterbrecher I₁ und legt die im Kondensator C₁ gespeicherte Spannung an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers A ;

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b) wenn DP- den Wert O und DP_ den Wert 1 anzeigt, dann schließt man den Unterbrecher I- und legt an den nicht invertierenden Eingang des Pufferverstärkers Aq die vom Kondensator C- gespeicherte Spannung;

c) wenn DP₁ und DP- beide dem logischen Niveau 0 entsprechen, dann schließt man den Unterbrecher I, und legt die vom Kondensator C- gespeicherte Spannung an den nicht invertierenden Eingang des Pufferverstärkers A_n.

Zum gleichen Zeitpunkt, zu dem man einen der Unterbrecher I₁, I- oder I_ schließt, öffnet man den Unterbrecher Ig₂I und schließt den Unterbrecher Ig₂?' ^um ^^em Verstärker A_ einen Verstärkungsgrad von Zwei zu verleihen. Der Verstärker A₁ behält einen Verstärkungsgrad von Sechzehn bleibt verschlossen);

dann verbindet man den Ausgang des Verstärkers A₁ oder A„ mit dem Analogdigitalkonverter, indem man die folgenden Testsdurchführt:

a) wenn DP₁ dem logischen Niveau 0 entspricht, behält der Verstärker A₁ eine Verstärkung von 16 bei Clgi-ig i^st geschlossen);

b) wenn DP₁ dem logischen Niveau 1 entspricht, vermindert man die Verstärkung des Verstärkers A vom Wert 16 auf den·Wert 4, indem man den Unterbrecher Ig-j-ig öffnet und Ig₁₄ schließt;

c) wenn DP₁ immernoch dem logischen Niveau 1 entspricht, vermindert man die Verstärkung des Verstärkers A₁ weiter, vom Wert 4 auf den Wert 1 , nach einer gewissen Wartezeit, die eine Stabilisierung der Verstärkung gestattet, indem man den Unterbrecher Ig₁. Öffnet und Ig ^ schließt;

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(J) nun erst berücksichtigt man den Wert von DP-:

1. Wenn I)P_ dem logischen Niveau 1 entspricht, schließt man den Schalter S. und verbindet den Ausgang des Verstärkers A₁ mit dem Eingang des Analogdigitalkonverters 2.

2. Wenn DP_ dem logischen Niveau O entspricht, schließt man den Schalter S₁. und verbindet den Ausgang des Verstärkers A_ mit dem Konverter 2

Jn beiden Fällen erfolgt die Digitalisierung der Tastprobe mit der aufgrund der vorhergegangenen Tests gewährten Verstärkung.

Man stellt also folgendes fest:

- Die Verstärkung erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Phasen, indem in der ersten Phase das Eingangssignal bis zum Faktor 256 verstärkt wird und in der zweiten Phase dieses verstärkte Signal erneut an den Eingang der Kette gelegt wird. Man erreicht so eine maximale Verstärkung gleich 256 , und zwar allein durch die Verwendung von zwei Verstärkungselementen, die jeweils mit einer maximalen Verstärkung von 16 arbeiten;

- man erhält mittels einer Gruppe reduzierter Tests für die drei miteinander verbundenen Verstärkungselemente sämtliche Verstärkungswerte zwischen 2 und 2 mit Verstärkungssprüngen des Faktors Zwei;

- jeder Fehler, der die von einem der Spcicherkondensatoren C. , C₇ oder C, gespeicherte Spannung beeinflussen kann und an den Eingang des ersten Elements A₀ gelegt ist, wird im ungünstigsten Falle in einem Verhältnis von 256 verstärkt, bei dem es sich um die maximale Verstärkung der beiden in Reihe geschalteten Elemente A₁ und A„ handelt, während nach den bekannten· Systemen diese Fehler maximal mit dem

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Verstärkungsfaktor der Verstärkungskette (2 im vorliegenden Fall) verstärkt wird, da der Tast- und Haltekreis kopfseitig angeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es ohne weiteres möglich, die die Vorrichtung bildenden Elemente durch äquivalente Organe zu ersetzen. Die nur beispielsweise gewählten elektronischen Unterbrecher und Schalter können selbstverständlich durch andere Elemente ersetzt werden,
die zur Erfüllung der gleichen Funktion in der Lage sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

( λ J Vorrichtung zum Verstärken und Tasten einer Ausbildung, die einen optimalen Verstärkungsgrad für multiplexierte Analogsignale liefert, mit einer kontinuierlichen Kette aus mehreren in Reihe geschalteten Verstärkungselementen, deren Verstärkungsgrade vorbestimmte Werte aufweisen, gekennzeichnet durch Kondensatoren (C₁, C₇, C-), welche die Spannungen an den Ausgängen sämtlicher Verstärkungselemente speichern; Schalteinrichtungen, die die Verstärkungsgrade der Verstärkungselemente modifizieren und intermittierend die Ausgangsspannungen sämtlicher Verstärkungselemente jeweils an die Eingänge der Speicherkondensatoren legen und selektiv die in den Kondensatoren gespeicherten Spannungen an den Eingang der

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ORiGiNAL INSPECTED

kontinuierlichen Verstärkungskette legen; und durch Wähleinrichtungen einer Ausbildung, die die Ausgangsspannungen mehrerer Verstärkungselemente mit einer Bezugsspannung (REF) vergleichen und die Schalteinrichtungen, um den Verstärkungselementen eine optimale Verstärkung zu verleihen, betätigen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch drei in Reihe geschaltete Verstärkungselemente (Aq, A., A₂), wobei der Verstärkungsgrad des ersten Elementes (Aq) gleich Eins ist, die Verstärkungsgrade des zweiten Elementes (A..) und des dritten Elements (A ) wenigstens zwei bestimmte von Eins sich unterscheidende Werte aufweisen und daß die Wähleinrichtungen zwei Komparatoren (CO₁, CO₇) aufweisen, die jeweils mit den Ausgängen des zweiten und · des dritten Verstärkungselements verbunden sind; und durch ein Wählorgan (3), das die Werte der auf die gespeicherten Spannungen anzuwendenden optimalen Verstärkungsgrade wählt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die vorbestimmten Werte der zweiten und dritten Verstärkungselemente aus aufeinanderfolgenden Exponenten der Zahl 2 gewählt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und dritte Verstärkerelement Gegenkopplungsnetze umfassen und daß die Schalteinrichtungen Unterbrecher fg.. bis Ig₂Io) aufweisen, welche durch die Wähleinrichtungen gesteuert und den Gegenkopplungsnetzen zugeordnet sind, derart, daß dem Verstärkungs-

O 4 grad des zweiten Verstärkungselements der Wert 2 , 2 oder 2 und dem Verstärkungsgrad des dritten Verstärkungselements der Wert 2 oder 2 verliehen wird.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen Unterbrecher (Ie₁, Ie₂J I^ex)> ^um intermittierend jeden Speicherkondensator mit dem Ausgang des entsprechenden Verstärkerelements zu verbinden,und Unterbrecher (I₁, I_, I_) aufweisen, um selektiv die Speicherkondensatoren mit dem Eingang des ersten Verstärkungselements zu verbinden, wobei diese Unterbrecher vom Wählorgan gesteuert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schalteinrichtungen darüber hinaus Unterbrecher (S., S₁.) aufweisen, welche durch die Wähleinrichtungen gesteuert sind, um den Ausgang eines der Verstärkungselemente zu einer Verbrauchereinrichtung zu steuern.

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