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Elektronische Schalteinheit zum Aufbau von Informationsspeichern, Zählern, Schieberegistern,
Impulsverteilern u. dgl.
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schalteinheit zum Aufbau von Funktionsgruppen für datenverarbeitende Anlagen wie Zählketten, Schieberegister, Durchschaltewähler u. dgl. Diese Funktionsgruppen dienen der Speicherung, Übertragung und Verteilung binärer Informationen.
Die binäre Information also eine 0/1 oder ja/nein-Aussage wird in elektronischen Anlagen als Zustand eines Bauelementes oder als ein bestimmter Betriebszustand einer Gruppe von Bauelementen dargestellt. So können Bauelemente mit Hystereseeigenschaften sich indem einen oder andern ihrer Remanenz- punkte befinden. Anderseits können aus Bauelementen mit nichtlinearer Kennlinie Schaltungen aufgebaut werden, die zweier verschiedener stabiler Betriebszustände fähig sind. Die binäre Information wird im allgemeinen in solchen Schaltungen dadurch dargestellt, dass das nichtlineare Schaltelement entweder ) gesperrt oder entsperrt ist. Im Falle Entsperrung muss in diesen Schaltungen ein verhältnismässig hoher Ruhestrom aufrechterhalten werden, der sich in vielen Fällen ungünstig auf die Lebensdauer einiger Schaltelemente auswirkt.
Dieser Nachteil eines vergleichsweise hohen Stromaufwandes kann nur zum Teil durch Verwendung von Bauelementen mit Hystereseeigenschaften vermieden werden. Letztere erfordern erheblichen Aufwand für die Zwischenverstärkung, wenn ausgangsseitig weitere Funktionsgruppen gesteuert werzoden sollen. Sie sind für die Durchschaltung grösserer Leistungen wenig geeignet.
Es sind nun auch Schaltungen bekanntgeworden, in denen die Aufladung von Kondensatoren zur Steuerung der Durchlässigkeit von Torschaltungen ausgenutzt wird, in denen aber ebenfalls die Stromaufnahme hoch und die Ausgangsleistung gering ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde gemäss der Erfindung zum Aufbau von Informationsspeichern, Zählern, Schieberegistern, Impulsverteilern u. dgl. eine elektronische Schalteinheit mit besonders geringem Ruhestromverbrauch geschaffen. Diese Schalteinheit ist gekennzeichnet durch einen Kondensator, dem mindestens ein nichtlineares über eine Steuerleitung in einen gesperrten oder entsperrten Zustand stellbares Schaltelement parallelgeschaltet ist und der in Serie mit einem Arbeitswiderstand an eine oder mehrere Zuführungen über Entkopplungsglieder so angeschlossen ist, dass im Falle Sperrung der (des) stellbaren Schaltelemente (s) die Schalteinheit in Abhängigkeit von der Aufladung des Kondensators für Spannungsimpulse an der oder den Zuführungen durchlässig oder undurchlässig ist,
so dass im Arbeitsstrom- kreis ein die jeweilige Ladungsänderung am Kondensator anzeigendes Ausgangssignal abgreifbar ist. Im einfachsten Fall enthält also diese Schalteinheit nur einen Entladekreis mit einem stellbaren Schaltelement. Zweckmässig ist als nichtlineares Schaltelement ein Transistor vorgesehen, der mit seiner EmitterKollektor-Strecke dem Kondensator parallelgeschaltet und dessen Basis mit der Steuerleitung verbunden ist.
Eine solche Schalteinheit nach der Erfindung wird durch Eingangsimpulse und Steuerimpulse betrieben. Es sei nun zunächst angenommen, dass bereits ein einzelner Eingangsimpuls den Kondensator vollständig auflädt, wenn das nichtlineare Schaltelement gesperrt ist. Dann bleibt infolge dieser Kondensator-Aufladung der Arbeitsstromkreis für alle weiteren Eingangsimpulse gesperrt. Wird nun in der Pause zwischen zwei Eingangsimpulsen das nichtlineare Schaltelement durch einen Steuerimpuls kurzzeitig entsperrt, so entlädt sich der Kondensator und die Schalteinheit ist für den nächsten Eingangsimpuls durchlässig, jedoch nur für diesen.
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In dieser Betriebsform ist die Schalteinheit alsDurchschalter für denAufbau verschiedener Funktionsgruppen geeignet. Da das nichtlineare Schaltelement jeweils nur kurzzeitig entsperrt wird. ist ihre Stromaufnahme gering. Durch Bemessung des Kondensators wird die Stromaufnahme begrenzt. Im Falle der Sperrung der Schalteinheit durch Aufladung des Kondensators sind durch die nachfolgenden Eingangsimpulse lediglich die Verluste über Isolations-und Sperrwiderstand zu decken, auch hiefür ist der Strombedarf gering.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft die Anwendung der Schalteinheit in logischen Netzwerken.
Zu diesem Zweck sind in einer Schalteinheit mehrere parallele Entladekreise mit je einem stellbaren Schaltelement oder ein Entladekreis mit mehreren in Reihe geschalteten stellbaren Schaltelementen vorgesehen.
Im folgenden werden weitere Einzelheiten der Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele zum Aufbau von Funktionsgruppen an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schalteinheit nach der Erfindung, Fig. 2 eine Schalteinheit mit Transistor, Fig. 3 eine Zahl- kette mit drei Zählstufen, Fig. 4 eine Zählkette bzw. ein Schieberegister, Fig. 5 einen Durchschalte- wähler, Fig. 6 eine"und"-Schaltung, Fig. 7 eine, "oder"-Schaltung.'
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über die Diode D mit der Zuführung e und anderseits über den Arbeitswiderstand R mit Masse verbunden. Über eine Steuerleitung st sind dem stellbaren Schaltelement T Steuerimpulse zuführbar, während deren Dauer das Schaltelement entsperrt sei.
An dem Arbeitswiderstand R ist ein Abgriff a für Ausgangssignale vorgesehen.
Die Schalteinheit wird durch Spannungsimpulse Ue an der Zuführung e und Steuerimpulse Ust an der Steuerleitung st betrieben. Durch einen Steuerimpuls wird das Schaltelement T entsperrt und dadurch der Kondensator C entladen. Tritt nun zum Zeitpunkt t1 der erste Eingangsimpuls auf, so wird der Kondensator aufgeladen, wie die Kurve Uc (Fig. 1) zeigt. Dabei ist die Impulsdauer entsprechend grösser als die Zeitkonstante R. C des Arbeitsstromkreises zu bemessen. Im Idealfall würde nach Abklingen des Eingangsimpulses die Kondensatorspannung Uc bestehen bleiben (ausgezogene Kurve).
Praktisch findet über den Isolationswiderstand und den Sperrwiderstand des Schaltelementes eine teilweise Entladung des Kondensators statt, wie durch den gestrichelten Teil der Kurve Uc in Fig. 1 dargestellt ist. Gleichzeitig mit dem ersten Eingangsimpuls, zur Zeit tl, tritt am Abgriff a ein Ausgangssignal Ua auf, das mit der Zeitkonstanten der Kondensatoraufladung abklingt.
Als nächster Impuls möge der zweite Eingangsimpuls, zur Zeit t2, auftreten, dann werden durch diesen lediglich die Spannungsverluste am Kondensator C gedeckt. Entsprechend tritt am Abgriff a ein Störsignal auf (gestrichelt eingezeichnet). Es sei nun angenommen, dass nachdem zweitenEingangsimpuls zur Zeit t ein weiterer Steuerimpuls Ust auftritt. Dann entlädt sich der Kondensator C, wie ebenfalls die Kurve Uc zeigt. Durch den nachfolgenden dritten Eingangsimpuls wird der Kondensator wieder aufgeladen und dementsprechend tritt bei t3 ein weiteres Ausgangssignal Ua auf.
Wie das Beispiel zeigt, ist darauf zu achten, dass zwischen den Eingangsimpulsen und den Steuerimpulsen eine ausreichende Phasenverschiebung besteht. Es wird dann aus einer kontinuierlichen Folge von Eingangsimpulsen jeweils nur der einem Steuerimpuls folgende Eingangsimpuls auf die Ausgangsleitung übertragen. Benutzt man also die Steuerleitung als Eingang für Informationsimpulse und die Zuführungen als Eingang für Abfrageimpulse, so wird jeweils nur dann ein Ausgangssignal abgegeben, wenn zuvor ein Informationsimpuls der Schalteinheit zugeführt wurde.
Eine besonders günstige Ausführungsform, in der ein Transistor als Schaltelement verwendet wird, zeigt Fig. 2. In der Schalteinheit nach Fig. 2 ist der Transistor T mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke dem Kondensator C parallelgeschaltet. Diese Parallelschaltung von Kondensator und Transistor ist kollektorseitig mit einer Zuführung e für negative Spannungsimpulse über eine Entkopplungsdiode D verbunden. Als Arbeitswiderstand ist in dieser Schaltung ein an eine Gleichspannungsquelle U angeschlossener Spannungsteiler mit den Widerständen R, R' und R vorgesehen, dessen einer Abgriff mit der Emitterseite der Parallelschaltung und dessen anderer Abgriff mit dem Ausgang a für Ausgangssignale verbunden ist. An die Basis des Transistors ist die Steuerleitung st angeschlossen. Diese Schalteinheit wird mit negativen Spannung-un Steuerimpulsen betrieben.
Als Beispiel ist in Fig. 2 ein Impulsverlauf angegeben, bei dem der zweite Steuerimpuls zwischen dem ersten und zweiten Eingangsimpuls auftritt, so dass, wie die Kurve Uc zeigt, die Kondensatorentladung bereits nach dem ersten Eingangsimpuls auftritt und der Kondensator durch den zweiten Eingangsimpuls erneut aufgeladen wird.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellten. Schalteinheiten können nun in verschiedenen Anordnungen zu Funk-
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tionsgruppen zusammengeschaltet werden. So wird z. B. eine Zählkette unter Verwendung dieser Schalteinheiten gemäss Fig. 3 so aufgebaut, dass je Zählstufe eine Schalteinheit mit einer Zuführung, sowie ein an die Schalteinheit an dem Abgriff für Ausgangssignale angeschlossenes Verzögerungsglied vorgesehen und so geschaltet sind, dass die Eingangsimpulse über eine Sammelschiene S allen Stufen gleichzeitig zu- führbar sind, dass der Ausgang des Verzögerungsgliedes einer Stufe mit der Steuerleitung der Schalteinheit der nächstfolgenden Stufe verbunden ist und dass zum Zählen mit Ausnahme einer Stufe, deren Kondensator entladen ist, die Kondensatoren aller andern Stufen aufgeladen sind,
so dass jeder Eingangsimpuls den entladenen Kondensator auflädt und damit über das Verzögerungsglied die Entladung des Kondensators der nächstfolgenden Stufe auslöst.
In der Zählkette nach Fig. 3 sind drei Schalteinheiten El, E2 und E3 und entsprechende Verzögerungsglieder VI, V2 und V3 zu einem Ringzähler zusammengeschaltet, dessen Sammelschiene S mit dem Eingang e für Eingangsimpulse und dessen dritte Stufe (E3, V3) mit dem Ausgang a verbunden ist. Sind
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und über das Verzögerungsglied VI der Steuerleitung von E2 zugeführt, so dass das stellbare Schaltelement in E2 entsperrt und der Kondensator in E2 entladen wird. Beim nächsten Eingangsimpuls wird der
Kondensator in E2 wieder aufgeladen und der Kondensator in E3 entladen usw. Bei Aufladung des Kondensators inE3 wird über den Ausgang a ein Ausgangssignal abgegeben. Beim dreistufigen Ringzähler wird also nur jeder dritte Eingangsimpuls auf den Ausgang übertragen.
Um in der Zählkette die Kondensatoren erstmalig aufzuladen, ist es notwendig, ein Durchschalten von einer Zählstufe zur nächsten zunächst zu vermeiden. Zu diesem Zwecke sind die Ladestromstösse entsprechend zu begrenzen. Die Zählkette wird deshalb vorteilhaft so ausgelegt, dass zur Vorbereitung des Zählvorganges die Aufladung der Kondensatoren aller Stufen mittels dosierter Impulse schrittweise durchführbar ist und dass anschliessend die Entladung des Kondensators einer Stufe über deren Steuerleitung auslösbar ist.
Werden in einem mehrstufigen Zähler, der nicht notwendig als Ringzähler ausgebildet sein muss, die Kondensatoren in mehreren Schalteinheiten entladen, so kann dieser als Schieberegister Anwendung finden. In diesem Falle ist die Schaltung so abzuwandeln, dass die Steuerleitung der ersten Stufe mit der Zuführung für Informationsimpulse und die Sammelschiene mit der Zuführung für Fortschaltimpulse verbunden ist.
Ein solcher Zähler ist aber auch besonders geeignet zur Durchschaltung von Eingangsimpulsen aus einer gemeinsamen Impulsquelle auf eine Vielzahl vorzugsweise zyklisch abzufragender Leitungen. So können z. B. die Zuführungen ZI, Z2 und Z3 der Zählkette nach Fig. 3 als Zeilen- oder Spaltendrähte einer Ferritkern-Speichermatrix zur zyklischen Ein- oder Ausspeicherung nacheinander durch Eingangsimpulse Ue aufgerufen werden.
Bei der Anwendung von Zählketten als Durchschalter kommt es lediglich auf die Verteilung der Eingangsimpulse über verschiedene Arbeitsstromwege an, während die am Ausgang der Schalteinheiten abgreifbaren Ausgangssignale ohne besonderes Interesse sind. Man kann dann vorteilhaft auf den für Verzögerungsglieder notwendigen Aufwand verzichten und eine Zählkette, insbesondere als Durchschalter zweckmässig so auslegen, dass je Stufe eine Schalteinheit mit einer Zuführung vorgesehen ist und die Schalteinheiten so angeordnet sind, dass die Eingangsimpulse abwechselnd über zwei Sammelschienen zuführbar sind, wie Fig. 4 zeigt. Diese Anordnung ist so getroffen, dass die Zuführungen aller Stufen mit ungerader Nummer mit der einen und die Zuführungen aller Stufen mit gerader Nummer mit der andern Sammelschiene verbunden sind.
In Fig. 4 sind die Sammelschienen mit SI und S2 bezeichnet. Es ist jeweils der Abgriff für Ausgangssignale einer Stufe mit der Steuerleitung der nächstfolgenden Stufe verbunden. Eine solche Zählkette wird ebenfalls so betrieben, dass nur in einer Stufe der Kondensator entladen ist, während die Kondensatoren aller andem Stufen aufgeladen sind. In Fig. 4 sind die Stufen EI - E6 mit den Zuführungen Zl- Z6 und den Sammelschienen Sl und S2 zu einem Ringzähler zusammengeschaltet.
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Man kann nun auch eine solche Zählkette in der Weise mehrfach ausnutzen, dass jede Zählstufe mit mehreren Zuführungen verbunden ist und dass anderseits diese Zuführungen an verschiedenen Sammelschienen angeschlossen sind. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 5. Diese ist als Durchschaltewähler mit vier Eingängen el-e4, Sammelschienen S1-S4 und zwei Zuführungen l bzw. l'je Zählstufe ausgelegt.
Sollen gleichzeitig mehrere Zuführungen l bzw. l' aufgerufen werden, so wird die Schaltung nach Fig. 5
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den Kondensator sowie der Abgriff für Ausgangsimpulse in den Entladekreis gelegt. Es ist weiterhin günstig, derartige Schaltungen mit nachwirkungsfreien Kondensatoren aufzubauen.
Fig. 8 zeigt eine"Oder"-Schaltung, bei der die Steuerleitungen stl und st2 über Entkopplungsdioden D1 bzw. D2 mit dem Kondensator C und die Abfrageleitung e mit der Basis des Transistors T verbunden ist. Der Ausgang a ist hier induktiv mit dem Entladekreis gekoppelt. Die"Oder"-Schaltung nach Fig. 8 wird so betrieben, dass der Kondensator im Ruhezustand entladen ist. Nur wenn der Kondensator über stl oder st2 oder über beide aufgeladen wurde, wird durch den nachfolgenden Abfrageimpuls an e ein Ausgangsimpuls an a ausgelöst.
Fig. 9 zeigt eine besonders geeignete Abwandlung der Schalteinheit, als"Und"-Schaltung. In dieser ist als Entkopplungsglied an Stelle der Diode D ein zweiter Transistor T2 vorgesehen, an dessen Kollektor die eine Steuerleitung stl und an dessen Basis die andere Steuerleitung st2 angeschlossen ist. Nur bei Koinzidenz von Eingangsimpulsen auf sti und st2 wird ein Ausgangsimpuls auf den Ausgang a durchgeschaltet. Es kann dann vorteilhaft sein. über die an die Basis von Tl angeschlossene Leitung e die periodsche Entladung des Kondensators zu steuern. An Stelle periodisch zugeführter Lösch- oder Abfrage-Impulse kann der Ausgang a auch über ein Verzögerungsglied V auf den Eingang e zurückgekoppelt werden, so dass die Schaltung nach Anzeige einer Koinzidenz selbsttätig wieder betriebsbereit wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektronische Schalteinheit zum Aufbau von Informationsspeichern, Zählern, Schieberegistern, Impulsverteilern u. dgl. gekennzeichnet durch einen Kondensator, dem mindestens ein nichtlineares, über eine Steuerleitung in einen gesperrten oder entsperrten Zustand stellbares Schaltelement parallelgeschaltet ist, und der in Serie mit einem Arbeitswiderstand an eine oder mehrere Zuführungen über Entkopplungsglieder so angeschlossen ist, dass im Falle Sperrung der (des) stellbaren Schaltelemente (s) die Schalteinheit in Abhängigkeit von der Aufladung des Kondensators für Spannungsimpulse an der oder den Zuführungen durchlässig oder undurchlässig ist, so dass im Arbeitsstromkreis ein die jeweilige Ladungsänderung am Kondensator anzeigendes Ausgangssignal abgreifbar ist.
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