Ideen zu einem Treblebooster für Humbucker – Anhang C
C Untersuchung des dynamischen Verhaltens mit Emitterdioden
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]- C.1 – AC128
- C.2 – AC128 mit Emitterdiode 1N5817
- C.3 – AC128 mit Emitterdiode aus Graetzbrücke B500D
- C.4 – МП21
- C.5 – МП21 mit Emitterdiode 1N5817
- C.6 – МП21 mit Emitterdiode aus Graetzbrücke B500D
- Auswertung
C1 Messschaltung 1 – AC128
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Abb. C.1: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor AC128 (β ist ausgewiesen mit etwa 90). Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 68 | 24 | 50 | 18 | ≈ 14 |
2 | 136 | 48 | 104 | 37 | ≈ 14 (zerrt leicht) |
3 | 272 | 96 | 221 | 79 | (zerrt) |
4 | 682 | 243 | 573 | 212 | (zerrt) |
5 | 1 340 | 478 | 1 100 | 416 | (zerrt) |
Bildertabelle C1.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C1:
Messschaltung C.1:
ueing. und uB
Messschaltung C.1:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,067 | 0,023 | 2,3 | 0,77 | ≈ 33 |
2 | 0,14 | 0,050 | 3,8 | 1,35 | (zerrt) |
3 | 0,27 | 0,100 | 5,6 | 2,00 | (zerrt) |
4 | 0,68 | 0,242 | 8,2 | 2,93 | (zerrt) |
5 | 1,34 | 0,479 | 8,5 | 3,46 | (zerrt) |
Bildertabelle C1.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C1:
Messschaltung C.1:
ueing. und uC
Messschaltung C.1:
uC vs. ueing.
C2 Messschaltung 2 – AC128 mit Emitterdiode 1N5817
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Abb. C.2: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor AC128 (β ist ausgewiesen mit etwa 90) mit einer in den Emitterkreis eingeschleiften Schottky-Diode 1N5817. Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 69 | 24 | 52 | 18 | ≈ 24 |
2 | 138 | 48 | 105 | 37 | ≈ 27 |
3 | 276 | 98 | 217 | 77 | (zerrt) |
4 | 694 | 245 | 579 | 210 | (zerrt) |
5 | 1 370 | 484 | 1 310 | 420 | (zerrt) |
Bildertabelle C2.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C2:
Messschaltung C.2:
ueing. und uB
Messschaltung C.2:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,069 | 0,024 | 1,4 | 0,50 | ≈ 20 |
2 | 0,14 | 0,05 | 2,6 | 0,93 | ≈ 19 (zerrt leicht) |
3 | 0,28 | 0,10 | 4,5 | 1,60 | (zerrt) |
4 | 0,69 | 0,24 | 7,1 | 2,55 | (zerrt) |
5 | 1,37 | 0,49 | 7,2 | 2,85 | (zerrt) |
Bildertabelle C2.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C2:
Messschaltung C.2:
ueing und uC
Messschaltung C.2:
uC vs. ueing.
C3 Messschaltung 3 – AC128 mit Emitterdiode aus Graetzbrücke B500D
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Abb. C.3: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor AC128 (β ist ausgewiesen mit etwa 90) mit einer in den Emitterkreis eingeschleiften, vorgespannten Siliziumdiode. Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 70 | 24 | 56,5 | 19,4 | ≈ 34 |
2 | 139 | 49 | 112 | 39 | ≈ 31 |
3 | 278 | 98 | 227 | 80 | (zerrt) |
4 | 696 | 246 | 591 | 212 | (zerrt) |
5 | 1 370 | 485 | 1 150 | 424 | (zerrt) |
6 | 4 380 | 1 550 | 3 620 | 1 360 | (zerrt) |
Bildertabelle C3.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C3:
Messschaltung C.3:
ueing. und uB
Messschaltung C.3:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,070 | 0,024 | 1,06 | 0,37 | ≈ 15 |
2 | 0,14 | 0,05 | 2,04 | 0,72 | ≈ 15 (zerrt leicht) |
3 | 0,28 | 0,10 | 3,6 | 1,3 | (zerrt) |
4 | 0,70 | 0,25 | 6,4 | 2,2 | (zerrt) |
5 | 1,37 | 0,49 | 6,6 | 2,6 | (zerrt) |
6 | 4,38 | 1,55 | 6,6 | 2,8 | (zerrt) |
Bildertabelle C3.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C3:
Messschaltung C.3:
ueing. und uC
Messschaltung C.3:
uC vs. ueing.
C4 Messschaltung 4 – МП21
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Abb. C.4: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor МП21 (β grob getestet mit etwa 40 bis 50). Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 66 | 23 | 42 | 15 | ≈ 9 |
2 | 133 | 47 | 87 | 31 | ≈ 9 (zerrt leicht) |
3 | 277 | 95 | 193 | 69 | (zerrt) |
4 | 678 | 241 | 536 | 198 | (zerrt) |
5 | 1 340 | 477 | 1 100 | 403 | (zerrt) |
6 | 4 310 | 1 530 | 3 500 | 1 320 | (zerrt) |
Bildertabelle C4.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C4:
Messschaltung C.4:
ueing. und uB
Messschaltung C.4:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,067 | 0,023 | 2,48 | 0,88 | ≈ 38 |
2 | 0,13 | 0,05 | 4,23 | 1,52 | (zerrt) |
3 | 0,27 | 0,10 | 6,6 | 2,4 | (zerrt) |
4 | 0,68 | 0,24 | 8,5 | 3,3 | (zerrt) |
5 | 1,34 | 0,48 | 8,5 | 3,6 | (zerrt) |
6 | 4,31 | 1,53 | 8,4 | 3,7 | (zerrt) |
Bildertabelle C4.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C4:
Messschaltung C.4:
ueing. und uC
Messschaltung C.4:
uC vs. ueing.
C5 Messschaltung 5 – МП21 mit Emitterdiode 1N5817
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Abb. C.5: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor МП21 (β grob getestet mit etwa 40 bis 50) mit einer in den Emitterkreis eingeschleiften Schottky-Diode 1N5817. Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 69 | 24 | 48 | 16 | ≈ 16 |
2 | 137 | 48 | 96 | 33 | ≈ 18 |
3 | 274 | 97 | 199 | 70 | (zerrt) |
4 | 690 | 244 | 549 | 199 | (zerrt) |
5 | 1 360 | 483 | 1 110 | 412 | (zerrt) |
6 | 4 380 | 1 550 | 3 590 | 1 350 | (zerrt) |
Bildertabelle C5.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C5:
Messschaltung C.5:
ueing. und uB
Messschaltung C.5:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,069 | 0,024 | 1,2 | 0,41 | ≈ 17 |
2 | 0,14 | 0,05 | 2,2 | 0,78 | ≈ 16 |
3 | 0,27 | 0,10 | 3,9 | 1,39 | (zerrt) |
4 | 0,69 | 0,24 | 6,5 | 2,30 | (zerrt) |
5 | 1,36 | 0,48 | 7,0 | 2,75 | (zerrt) |
6 | 4,38 | 1,54 | 7,0 | 2,94 | (zerrt) |
Bildertabelle C5.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C5:
Messschaltung C.5:
ueing. und uC
Messschaltung C.5:
uC vs. ueing.
C6 Messschaltung 6 – МП21 mit Emitterdiode aus Graetzbrücke B500D
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Abb. C.6: Treblebooster-Testschaltung mit Germaniumtransistor МП21 (β grob getestet mit etwa 40 bis 50) mit einer in den Emitterkreis eingeschleiften, vorgespannten Siliziumdiode. Der Eingangskondensator ist vergrößert.
Eingangskreis – ueing. vs. uB
ueing. [mV] |
uB [mV] |
ri [kΩ] |
|||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 70 | 24 | 52 | 18 | ≈ 24 |
2 | 138 | 48 | 103 | 36 | ≈ 24 |
3 | 275 | 97 | 208 | 73 | ≈ 24 (zerrt leicht) |
4 | 691 | 244 | 557 | 200 | (zerrt) |
5 | 1 360 | 482 | 1 110 | 411 | (zerrt) |
6 | 4 380 | 1 550 | 3 590 | 1 350 | (zerrt) |
Bildertabelle C6.2: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet im Eingangskreis von Messschaltung C6:
Messschaltung C.6:
ueing. und uB
Messschaltung C.6:
uB vs. ueing.
Verstärkung und Verzerrung – uB vs. uC
ueing. [mV] |
uC [V] |
vU | |||
---|---|---|---|---|---|
pp | eff. | pp | eff. | clean | |
1 | 0,069 | 0,024 | 0,96 | 0,33 | ≈ 14 |
2 | 0,14 | 0,05 | 1,85 | 0,65 | ≈ 14 |
3 | 0,28 | 0,10 | 3,36 | 1,19 | (zerrt leicht) |
4 | 0,69 | 0,24 | 6,00 | 2,13 | (zerrt) |
5 | 1,36 | 0,48 | 6,61 | 2,60 | (zerrt) |
6 | 4,38 | 1,55 | 6,65 | 2,77 | (zerrt) |
Bildertabelle C6.4: Signalverläufe und Lissajous-Figuren, aufgezeichnet am Ausgang von Messschaltung C6:
Messschaltung C.6:
ueing. und uC
Messschaltung C.6:
uC vs. ueing.
Auswertung
Mit dieser Serie von Messschaltungen sollte herausgefunden werden, ob die Idee, durch Einschleifen einer Schottky-Diode (Messschaltungen C2 und C5) bzw. einer vorgespannten Siliziumdiode (Messschaltungen C3 und C6) in den Emitterkreis eines Trebleboosters dessen Eingangswiderstand zu erhöhen und die Verstärkung entsprechend zu verringern, funktioniert.
Dabei war es angestrebt, den Eingangswiderstand auf mindestens 25 kΩ zu erhöhen. Dieser Wert ergibt sich aus der Vorgabe, dass der am Eingang des Trebleboosters entstehende LC-Tiefpass aus Tonabnehmerinduktivität sowie Tonabnehmerinnenwiderstand und Eingangswiderstand eine –3dB-Frequenz von mindestens 1 kHz haben soll – hier ergibt sich, bei einer Tonabnehmerinduktivität ≥ 4 H und einem Tonabnehmerwiderstand ≥ 8 kΩ, ein differentieller Eingangswiderstand von mindestens 25 kΩ (ri,min = 1 kHz ⋅ 2π ⋅ 4 H - 8 kΩ).
Bei der Abschätzung der maximalen Verstärkung war von einem Rangemaster Treblebooster ausgegangen worden, der (an einer niederohmigen Signalquelle) eine Verstärkung von maximal 60 haben soll. Bei einer üblichen Verschaltung (Tonabnehmerinnenwiderstand von mindestens 4 kΩ, Eingangswiderstand des Trebleboosters von etwa 10 kΩ) reduziert sich die Verstärkung durch den Spannungsteiler aus Tonabnehmerinnenwiderstand und Eingangswiderstand des Trebleboosters allerdings auf etwa 40. Für einen Treblebooster für Humbucker (etwa doppelte Ausgangsspannung) sollte demnach eine Verstärkung von maximal 20 angestrebt werden.
Soweit zu den Vorüberlegungen. Die Untersuchungen dieser Serie begannen mit einer Messschaltung ohne eingeschleifte Diode (Messschaltungen C1 bzw. C4 ), es folgte eine Schaltung mit einer Schottkydiode im Emitterzweig (Messschaltungen C2 bzw. C5 ) und eine Schaltung mit einer vorgespannten Siliziumdiode (Messschaltungen C1 bzw. C4 ). Diese drei Messungen wurden jeweils mit einem Germaniumtransistor AC128 (β ausgewiesen mit etwa 90) und einem Germaniumtransistor МП21 (β grob getestet mit etwa 40 bis 50) durchgeführt.
Die qualitativen Ergebnisse der sechs Messungen fasst die folgende Tabelle C.7 zusammen:
Schaltung mit DUT |
Ση | reing. [kΩ] |
vU | ueing. [mV] |
||
---|---|---|---|---|---|---|
clean | soft clip |
|||||
C1 | AC128 (β ≈ 90) | 1 | 14 | 33 | ≈ 24 | 47 |
C4 | МП21 (β ≈ 40–50) | 1 | 9 | 38 | ≈ 23 | 47 |
C2 | AC128 m. 1N5817 | 2 | 24 | 20 | ≈ 24 | 98 |
C5 | МП21 m. 1N5817 | 2 | 18 | 16 | ≈ 48 | 97 |
C3 | AC128 m. B500D | 2.7 | 34 | 15 | ≈ 24 | 98 |
C6 | МП21 m. B500D | 2.7 | 24 | 14 | ≈ 48 | 97 |
Zu obiger Tabelle C.7 und ihren Spalten ein paar kurze Anmerkungen:
- Ση:
Der Wert Ση fasst die η-Werte aller pn-Übergänge im Eingangskreis zusammen.
- R3:
R3 soll den Innenwiderstand des Tonabnehmers nachbilden und ist in Serie vor die Basis geschaltet.
- reing.:
Der differentielle bzw. signalbezogene Eingangswiderstand reing. wird aus dem Verhältnis der Signalspannungen an beiden Seiten des Vorwiderstandes ermittelt: reing. = R3 ⋅ uB / (ueing. - uB)
- vu:
Die Spannungsverstärkung bezieht sich auf die Leerlaufspannung des Tonabnehmers, d. h. darauf, um wieviel größer die Ausgangsspannung des Trebleboosters an einem Röhrenverstärkers ist gegenüber der Ausgangsspannung des Tonabnehmers am gleichen Röhrenverstärker. Das bedeutet, dass die Spannungsverstärkung vom Verhältnis des Tonabnehmerinnenwiderstands zum Eingangswiderstand des Trebleboosters mit bestimmt wird.
- bei ueing.:
Signaleingangsspanng, bei der sich die Schaltung noch (halbwegs) linear verhalten hat für die Eingangswiderstand und Verstärkung berechnet wurden.
- ueing. mit soft clip:
Hier handelt es sich weniger um eine quantitative Aussage – es wurde aus einer Reihe von Messungen mit jeweils etwa verdoppelter Eingangssignalspannung die Messung ausgewählt, bei der in der Lissajous-Figur vielleicht eine geringe Krümmung, aber noch keine waagerechte Linie zu erkennen ist.
Die in Tabelle C.7 zusammengefassten Ergebnisse zeigen, dass es für einen ausreichend hohen Eingangswiderstand des Trebleboosters in Verwendung mit einem Humbucker u. U. und je nach verwendetem Transistor nicht ausreicht, lediglich eine Schottky-Diode in den Emitterzweig einzuschleifen – deren differentieller Widerstand ist zu gering, um den angesetzten höheren Eingangswiderstand von mindestens 25 kΩ zu erreichen – ein re von 24 kΩ bei einer Schottkydiode im Emitterzweig wurde lediglich bei Verwendung eines „amtlichen“ Germaniumtransistors (z. B. AC128, Stromverstärkungsfaktor zwischen 90 und 100) gemessen.
Der Autor hatte jedoch neben einem Exemplar eines solchen „Markentransistors“ AC128 mit Stromverstärkungsfaktor von 90 bis 100 eine große Zahl sowjetischer МП21 mit wesentlich geringeren Stromverstärkungsfaktor, die jedoch auf einen deutlich kleineren Reststrom (und, wahrscheinlich, auf ein entsprechend geringeres Rauschen) ausgesucht werden konnten. Für die Verwendung dieser Transistoren ist die Schaltung mit der vorgespannten Siliziumdiode im Emitterzweig durchaus sinnvoll.
Die obige Tabelle C.7 zeigt weiterhin – im Vergleich der gleichartigen Messschaltungen mit unterschiedlichen Transistoren (d. h. C.1 mit C.4, C.2 mit C.5 und C.3 mit C.6, ), dass die unterschiedliche Größe der Stromverstärkungsfaktoren beider Transistoren sich weniger auf die Verstärkung der Stufe als auf den Eingangswiderstand auswirken, wobei es auch hier keine (umgekehrte) Proportionalität zwischen Stromverstärkungsfaktor und Eingangswiderstand gibt, die Änderungen sind kleiner.
Nun zu den Oszillogrammen und Lissajous-Figuren. Ziel dieser Serie von Messung war ja auch, „einfach mal zu sehen“, wie so eine Treblebooster-Verstärkerstufe mit Germaniumtransistor übersteuert (und ob es ein spezielles „Germaniumverhalten“) gibt und wie das ggfs. aussieht.
Die in der folgenden Bildertabelle C.8 dargestellten Oszillogramme und Lissajous-Figuren zeigen:
- Übersteuerungsverhalten
Die Art der Übersteuerung bzw. die Kurvenformen sind in den Messschaltungen ähnlich.
- Arbeitspunktverschiebungen
Die (wesentlich durch die Umladung des Emitterkondensators im Zusammenhang mit dem asymmetrischen Arbeitspunkt bedingten) Arbeitspunktverschiebungen führen dazu, dass der Arbeitspunkt bei großer Aussteuerung in den Cut-Off-Bereich wandert – d. h. bei starker Übersteuerung sperrt der Transistor fast über die gesamte Periodendauer des Eingangssignal und „springt“ nur mit der Spitze von dessen negativer Halbwelle kurz in die Sättigung, wobei die Zeit, während der der Transistor in die Sättigung springt, mit steigender Übersteuerung kleiner wird; d h. mit steigender Übersteuerung wird das Tastverhältnis des Ausgangssignals immer stärker ungerade.
- Aussteuerungsfestigkeit
Die in Bildertabelle C.8 zusammengestellten Diagramme zeigen, dass bei Schaltungen mit einer oder mehreren Dioden im Emitterzweig der Arbeitspunkt bei einem wesentlich größeren Pegel des Eingangssignals in den Cut Off wandert. Man kann also davon ausgehen, dass die bei einem „normalen“ Treblebooster bekannten Effekte einer Arbeitspunktverschiebung bei einer entsprechend höheren Eingangssignalspannung einsetzen.
Die Anzahl der Messungen war allerdings zu gering, um für jede Schaltung den speziellen Eingangssignalpegel ermitteln zu können, bei der der Arbeitspunkt exakt im Cut Off sitzt.
Zur Erklärung: Der Arbeitspunkt wandert vollständig in den Cut Off, wenn – im Oszillogramm betrachtet – das Ausgangssignals begrenzt ist und die untere horizontale (Begrenzungs)-Linie von einem Nulldurchgängen des Eingangssignals zum anderen reicht. Beziehungsweise, wenn ein waagerechter Teil der zugehörigen Lissajous-Figur die senkrechte Mittelachse im Diagramm berührt oder schneidet. Elektronisch betrachtet befindet sich der Transistor ohne Eingangssignal im Cut Off.
Bildertabelle C8: In den Cut Off verschobener Arbeitspunkt für verschiedene Eingangssignalspannungen bei verschiedenen Schaltungen – Signalverläufe und Lissajous-Figuren
ueing. und uC
uC vs. ueing.
AC128
Eingangssignalspannung:ueing.,eff = 96 mV
МП21
Eingangssignalspannung:ueing.,eff = 95 mV
МП21 mit Emitterdiode 1N5817
Eingangssignalspannung:ueing.,eff = 244 mV
AC128 mit Emitterdiode aus B500D
Eingangssignalspannung:ueing.,eff = 246 mV
Nachbemerkung: Eine misslicher Lapsus bei den Messungen ausgerechnet des Transistors AC128 ohne Dioden im Emitterzweig (also der Messschaltung, die dem originalen Rangemaster Treblebooster am nächsten ist) könnte zu einem auffällig verschiedenen Messergebnis geführt haben – bei dieser Messung wurde möglicherweise mit einer anderen Messfrequenz gearbeitet:
Bei den Lissajous-Figuren des Ausgangssignals von Messschaltung C.1 war der große „Pythonkopf“ aufgefallen – bei der Lissajousfigur liegen steigende und fallene Flanke nicht übereinander. Das korrespondiert mit der Tatsache, dass im zugehörigen Oszillogramm von Ausgangs- und Eingangssignal der Sprung des Ausgangssignals zwischen Sperren (geringste Ausgangsspannung) und Sättigung (höchste Ausgangsspannung) ein wenig zeitverschoben ist zum Minimum des Eingangssignals. Das bedeutet, dass das (übersteuerte) Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal einen geringen zeitlichen Versatz aufweist.
Weiterhin liegt der Abstand der zeitlichen Skalierung in den verschiedenen Oszillogrammen nahe, dass bei dieser einen Messung mit einer anderen Signalfrequenz (1 kHz gegenüber den in der Oszilloskop-Software voreingestellten 440 Hz) gemessen worden war.