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Elektronische Impulszähl- und Steuereinrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine elektronische Impulszähl- und Steuereinrichtung zur periodischen Auslösung
von Schaltmaßnahmen nach Empfang einer einstellbaren Anzahl von jeweils höchstens
2n1 Impulsen mit n Transistorkippstufen. Der 2n-te Impuls wird dann für die dabei
notwendig werdenden Umsteuerungen benutzt.
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Bei der Lösung verschiedenartiger Aufgaben, insbesondere in der Meßtechnik,
tritt die Aufgabe auf, periodisch nach Empfang einer bestimmten Anzahl von Impulsen
Schaltmaßnahmen auszulösen. Als Beispiel sei erwähnt die Ab- bzw. Umschaltung von
elektronischen Meßimpulsszähleinrichtungen zur wiederholten Zählung von durch eine
Meßgröße ausgelösten und auf eine Bezugsgröße zu beziehenden Meßimpulsen, sobald
die ihr von einer Bezugsgröße zugeführten Bezugsimpulse eine vorgegebene Anzahl
erreicht haben. Diese Aufgabe wurde zunächst mit elektromechanischen Stellwerken
gelöst. Derartige Stellwerke arbeiten jedoch verhältnismäßig langsam, da bei ihnen
Massen zu bewegen sind. Man ging daher dazu über, derartige Stellwerke durch rein
elektronische Stellwerke zu ersetzten. Dabei übernahm man jedoch das Dekadenprinzip
der elektromechanischen Zählwerke, d. h., man schaltete die elektronischen Schaltmittel
so zusammen, daß immer, wenn die Impulse eine Dekade ausgefüllt hatten, ein Steuerimpuls
auf eine nächste Dekadenstufe übertragen wurde und die durch die Impulse ausgefüllte
Dekade wieder bei Null begann. Für derartige elektronische Zählstufen verwendet
man Kippstufen, die jeweils zwei verschiedener Zustände fähig sind. Um die zehn
Stufen einer Dekade charakterisieren zu können, benötigt man vier Kippstufen. Diese
werden dabei jedoch nicht voll ausgenutzt, da sie insgesamt sechzehn verschiedene
Kombinationen gestatten.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, der es ermöglicht, sämtliche Kombinationen
der verschiedenen Schaltzustände der Kippstufen auszunutzen und durch die damit
verbundene Befreiung von dem Dekadensystem eine wesentlich größere Anzahl von Impulsen
einstellen zu können, bei denen Schaltmaßnahmen ausgelöst werden sollen. Diese elektronische
Impulszähl- und Steuereinrichtung zur sich wiederholenden Zählung einer einstellbaren
Anzahl von jeweils höchstens 2-1 Impulsen mit n Transistorkippstufen und Abgabe
einer Steuerspannung auf einen elektronischen Schalter bei Empfang des ein Zurückschalten
auf denAnfangszustand bewirkenden 2neuen Impulses nach der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß der den elektronischen Schalter speisende Spannungspfad unter
Zwischenschaltung
von Dioden über die hochohmigen Kollektorkreiswiderstände derjenigen
Transistoren geführt ist, die nach Empfang der Impulsanzahl, bei der der elektronische
Schalter ansprechen soll, gesperrt sind. Zur Einstellung einer Impulsanzahl m (0
<m 2 -1), bei der die Schaltung erfolgen soll, wird die Basis jedes Transistors
an eine von zwei derart mit maximal 2"-1 Kontakten eines Wahl schalters versehenen
Kontaktbahnen geführt, daß ein in einer Rückstellvorrichtung durch den 2n-ten Impuls
ausgelöster Rückstellimpuls über einen auf den der Impulsanzahl oder eine ihr entsprechende
Größe zugeordneten Kontakt eingestellten Kontaktarm den Transistor in einen dem
(2n--m)-ten Impuls entsprechenden Zustand kippt. In konsequenter Durchführung der
elektronischen Transistorschaltung wird man auch die Rückstellvorrichtung, die den
Rückstellimpuls liefert, aus Transistoren aufbauen. Die Transistoren kann man so
schalten, daß, wenn sie kein positiver Auslöseimpuls beaufschlagt, der erste Transistor
leitend und der zweite Transistor niciltleitend sind und ein positiver Auslöseimpuls
durch kurzzeitige Sperrung des ersten Impulses einen negativen Impuls hervorruft,
der den zweiten Transistor leitend macht, so daß er einen positiven Rückstellimpuls
abgibt. Auch als elektronischer Schalter wird man dann eine elektronische Torsteuerstufe
mit zwei Transistoren in Kippschaltung verwenden. Soll die Auslösung der Schaltmaßnahmen
zeitabhängig erfolgen, so wird man auf die elektronische Steuervorrichtung Impulse
mit konstanter Frequenz geben, die man mit einem Impulsgenerator erzeugen kann.
Um eine von
Schwankungen der Speisespannung unabhängige Ausgangssignalspannung
zu erhalten, ist es vorteilhaft. die Speisespannung über die Parallelschaltung eines
Widerstandes mit Kollektor und Emitter eines Transistors zu führen, dessen Basisstrom
durch das Basispotential eines zweiten -Transistors gesteuert wird, das mit dem
Anstieg der Emitter-Basis-Spannung eines dritten Transistors entsprechend der konstant
zu haltenden Spannung wächst, so daß die Parallelschaltung hochohmiger wird.
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Die elektronische Steuereinrichtung nach der Erfindung sei an Hand
eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Dem Ausführungsbeispiel ist die Aufgabe
einer elektronischen Drehzahlmessung zugrunde gelegt.
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Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der Lösung dieser Aufhabe nach der
Erfindung. Die Aufgabe besteht darin, die Drehzahl der Welle 2 des Motors 1 zu messen.
Zu diesem Zweck ist in an sich bekannter Weise auf die Welle 2 eine Schlitzscheibe
3 aufgebracht. Diese Schlitzscheibe durchsetzt einen von einer Lichtquelle 4 auf
den photoelektrischen Empfänger 5 gerichteten Lichtstrahl, so daß nur Lichtimpulse
den photoelektrischen Empfänger beaufschlagen. Dementsprechend gibt er nur annähernd
rechteckförmige Spannungsimpulse an den Impulsumformer 6. Dieser formt die Impulse
in eine zur Steuerung der Zähldekaden 7 bis 8 geeignete Impulsform um. Diese können
aber nur dann zählen, wenn am Eingang der Zähldekade 7 eine geeignete Vorspannung
herrscht. Ist diese Vorspannung, die dem Tor 9 entnommen wird, zu stark negativ,
so können die positiven Impulse die Kippstufen der Zähldekaden nicht zum Kippen
anregen, da sie nicht in den positiven Spannungsbereich hineinreichen, so daß die
Dekaden nicht zählen. In diesem Fall ist das Tor geschlossen. Sobald das Tor geöffnet
ist, werden die Impulse in den Zähldekaden gezählt, und die Zählung wird in den
Meßinstrumenten 10 bis 11 angezeigt. Gibt man der Schlitzscheibe 3 hundertzwanzig
Löcher, so ist die an den Instrumenten 10 bis 11 angezeigte Impulszahl ein Maß für
die Drehzahl in UpM, wenn das Tor jeweils /i Sekunde geöffnet ist.
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Aus diesem Grunde wird das Tor so gesteuert, daß es jeweils 1/2 Sekunde
geöffnet und eine ein Vielfaches einer halben Sekunde betragende Zeit geschlossen
ist. Solange das Tor geschlossen ist, bleibt der gezählte Wert an den Meßinstrumenten
10 bis 11 stehen. Danach werden durch die Rückstellvorrichtung 12 die Zähldekaden
wieder auf Null zurückgestellt. Sowohl die Rückstellvorrichtung 12 als auch das
Tor 9 werden durch die elektronische Steuereinrichtung 13 nach der Erfindung gesteuert.
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Diese Steuereinrichtung ist in der Fig. 2 im einzelnen dargestellt.
Die elektronische Steuereinrichtung 13 erhält ihre Steuerimpulse von einem Impulsgenerator
14. Die Ausgangsimpulse des Impulsgenerators werden in dem Impulsumformer 15 in
eine für die Untersetzung geeignete Form gebracht und in den Untersetzungsdekaden
16 bis 17 in dem erforderlichen Maß untersetzt. Die erforderliche Rückstellung der
elektronischen Steuereinrichtung 13 bewirkt die Rückstellvorrichtung 18. Diese wird
gleichfalls von der elektronischen Steuereinrichtung betätigt. Sie ist in Fig. 3
im einzelnen beschrieben, während das Tor 9 in Fig. 4 dargestellt ist. Zur Einstellung
der Impulszahl, nach der Schaltvorgänge ausgelöst werden sollen, dient der Schalter
19.
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Die untersetzten Steuerimpulse des Impulsgenerators werden, von der
Untersetzungsdekade 17 kommend, der in Fig. 2 dargestellten elektronischen Steuereinrichtung
über die Klemme 20 zugeführt. An die Klemme 21 ist das Tor 9, an die Klemme 22 die
Rückstellvorrichtung 18 und an die Klemme 23 die Löschvorrichtung für die Zähldekaden
7 bis 8 angeschlossen. Die Speisung der elektronischen Steuereinrichtung geschieht
über die Klemmen 24 und 25, die an die mit den gleichen Bezugsziffern bezeichneten
Klemmen der Spannungskonstanthalteeinrichtung nach Fig. 5 angeschlossen sind. Über
die Klemme 26 werden der Steuereinrichtung die Rückstellimpulse von der Rückstellvorrichtung
18 aufgeschaltet. Die elektronische Steuervorrichtung besteht in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel aus vier Kippstufen mit je zwei Transistoren. Sie besitzt also
sechzehn verschiedene Schaltzustände und kann somit sechzehn Schritte machen. Im
Gegensatz zu den üblichen Dekadenschaltungen mit Rückführungen kann also eine Auswahl
zwischen fünfzehn Impulsen getroffen werden. Dementsprechend ist auch die Darstellzeit
des Zählergebnisses über einen größeren Bereich einstellbar. Mehrere der Transistoren
27 bis 34 der vier Kippstufen sind mit ihren Kollektoren gemäß Fig. 2 an eine von
zwei Diodenschaltungen geführt. Über die hochohmigen Widerstände 35 bis 42 liegen
sie an dem Minuspol der speisenden Spannungsquelle. Von den beiden Diodenschaltungen
wird die Steuerung des Tores 9 und die Steuerung der Löschvorrichtung 12 bewirkt.
Stehen die Kippstufen nun in einer Stellung, daß jeweils die ungeradzahligen Transistoren
gesperrt und die geradzahligen Transistoren geöffnet sind, so liegt am Kathodenpunkt
der unteren Diodenschaltung eine stark negative Spannung. Diese Spannung liegt über
die Klemme 21 auch am Eingang der Torsteuerstufe 9, so daß bei entsprechender Schaltung
des Tores dieses geöffnet ist. Es sei angenommen, daß die betrachtete Stellung des
Transistoren gerade durch den fünfzehnten Impuls hervorgerufen wurde. Der nächste,
also der sechzehnte Impuls, bewirkt ein Zurückkippen aller Kippstufen auf die Stellung
Null, bei der die geradzahligen Transistoren gerade gesperrt seien. Damit liegt
aber am Kathodenpunkt der unteren Diodenschaltung mit den Gleichrichtern 43 bis
46 eine schwach positive Spannung. Diese Spannung reicht bei entsprechend geschaltetem
Tor aus, um dieses zu schließen. Damit leitet das Tor die gewünschte Schaltmaßnahme,
im Fall des Ausführungsbeispiels also die Unterbrechung der Zählung durch die Zähldekaden
7 bis 8 ein. Das schwach positive Potential am Kathodenpunkt der unteren Diodenschaltung
bleibt bei allen Stellungen erhalten - mit Ausnahme bei der, die der fünfzehnte
Impuls hervorruft. Das Tor bleibt also bei den Stellungen 0 bis 14 geschlossen.
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Bei der Stellung 14 seien die Transistoren 28, 29, 31 und 33 gesperrt.
Das bedeutet, daß am Kathodenpunkt der oberen Diodenschaltung mit den Gleichrichtern
47 bis 50 eine stark negative Spannung steht. Beim Empfang des fünfzehnten Impulses,
d. h. bei dem Übergang von Stellung 14 auf Stellung 15, wächst das Potential am
Kathodenpunkt von einer stark negativen zu einer schwach negativen Spannung. Dieser
Spannungssprungwirkt als positiver Impuls. Er wird über die Verbindungsklemme 23
in dem betrachteten Beispiel auf den Eingang der Löschvorrichtung 12 gegeben. Nach
Verstärkung in dieser
stellt er alle Dekaden des Zählers auf 0 zurück,
so daß die Zählung von neuem beginnen kann. Diese Löschung ist abgeschlossen, ehe
der erste Zählimpuls der neuen Zählung durch das Tor hindurchkommt. so daß nicht
die Gefahr besteht, daß zwischen Löschung und Zählbeginn einige Impulse der neuen
Zählung verlorengehen. Die übrigen im einzelnen nicht bezifferten normgerechten
Schaltsymbole in den Kippstufen erfüllen die an sich bekannten üblichen Aufgaben
zur Erzielung des erforderlichen Kippens.
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Zur Einstellung der Impulszahlen, bei denen bestimmte Schaltmaßnahmen
eintreten sollen, dient der Wahlschalter 19. Er besteht aus den je einer Kippstufe
zugeordneten Kontaktarmen 51 bis 54, die über Gleichrichter 55 bis 58 mit der Klemme
26 verbunden sind, über die die Steuereinrichtung mit einer Rückstellvorrichtung
verbunden ist. Jeder der Kontaktarme gleitet über Kontakte, die mit einer von zwei
Kontaktbahnen verbunden sind. Jeder Transistor einer Kippstufe ist mit einer der
Kontaktbahnen verbunden. Durch den Wahlschalter 19 wird erreicht, daß ein die Steuereinrichtung
beaufschlagender Rückstellimpuls nicht in den Zustand kippt, der der Stellung 0
entspricht, sondern in den Zustand, der gerade eingestellt ist. Bei dem gewählten
Beispiel wurde das Tor durch die Steuereinrichtung nur zwischen dem fünfzehnten
und sechzehnten Impuls geöffnet. Der sechzehnte Impuls, der identisch ist mit dem
nullten Impuls, bewirkte das Ende der Zählung in den Zähldekaden 7 bis 8. Das in
ihnen erzielte Zählergebnis blieb dann vom nullten bis fünfzehnten Impuls bestehen.
Bewirkt nun durch entsprechende Einstellung des Schalters 19 der Rückstellimpuls,
daß die Transistoren der Kippstufen nicht in ihre Nullstellung zurückkippen, sondern
in die Stellung, die sie beispielsweise durch den vierzehnten Impuls erhalten, so
ist das Tor nur für die Zeitdauer zwischen zwei Impulsen geschlossen. Dementsprechend
wird auch das Meßergebnis nur während dieser Zeit angezeigt. Man hat es durch Betätigung
des Schalters 19 also in der Hand, die Zeit einzustellen, während der das Ergebnis
angezeigt bleiben soll. Gleichzeitig gibt man durch Einstellung des Schalters 19
an, in welchem Rhythmus das Tor schaltet.
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Den Vorteil, den die Steuereinrichtung nach der Erfindung vor den
rein dekadischen Steuereinrichtungen besitzt, läßt folgende Überlegung erkennen.
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Folgen die die Steuereinrichtung beaufschlagenden zeitproportionalen
Impulse in Abständen von einer halben Sekunde, so wird der Zyklus von sechzehn Impulsen
in acht Sekunden durchlaufen. Durch entsprechende Einstellung des Schalters 19 kann
man erreichen, daß das Zählergebnis zwischen 0,5 und 7,5 Sekunden dargestellt bleibt.
Verwendet man unter den gleichen Voraussetzungen eine dekadische Schaltung, so wird
der gesamte Impulszyklus in 5 Sekunden durchlaufen. Die Darstellzeiten für das Meßergebnis
können also nur zwischen 0,5 und 4,5 Sekunden eingestellt werden. In entsprechend
geringen Umfang kann daher auch nur der Zählrythmus vorgegeben werden.
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Die Rückstellvorrichtung, die in dem Blockschaltbild nach Fig. 1
mit 18 bezeichnet ist und die Rückstellung der Steuereinrichtung bewirkt, ist in
Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen vereinfachten Schmitt-Trigger.
Sie ist über die Klemmen 24 und 25 mit der Spannungskonstanthalteschaltung nach
Fig. 5 verbunden. Der Rückstellvorgang wird durch
einen an der Klemme 22 auftretenden
positiven Impuls ausgelöst. Dieser Impuls sperrt den Transistor 59, der im Normalzustand
leitend ist. In diesem Fall ist der Transistor 60 gesperrt. Durch die Sperrung des
Transistors 59 entsteht ein negativer Impuls an der Basis des Transistors60. Dieser
wird dadurch einen Augenblick leitend, so daß an seinem Ausgang ein kurzer positiver
Impuls auftritt. Über die Klemme 26 und den Schalter 19 wird dieser Impuls den Kipptransistoren
der Steuereinrichtung zugeführt. Die Transistoren, die ihn erhalten, werden dadurch
gesperrt. Es ist zweckmäßig, für den Transistor 60 einen solchen mit sehr kleinem
Leckstrom zu verwenden, beispielsweise also einen Siliziumtransistor.
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Bei einem Transistor mit zu großem Leckstrom besteht die Gefahr, daß
er den Kippvorgang stört. Das von der Steuereinrichtung beaufschlagte Tor, das die
Schaltmaßnahmen unmittelbar auslöst, ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Schaltung
wird mit den Klemmen 24 und 25 an die speisende konstantgehaltene Spannung angeschlossen.
Der an der Klemme 21 auftretende Spannungszustand wird durch die aus den Transistoren
61 und 62 bestehende Kippstufe umgeformt (ein stark negativer Spannungszustand wird
schwach negativ, ein schwach negativer wird stark negativ) und über die Klemme 63
den zu steuernden Schaltgliedern zugeführt. In dem Ausführungsbeispiel bestimmt
die an der Klemme 63 auftretende Spannung die Eingangsspannung der Zähldekade 7.
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Zur Konstanthaltung der Speisespannung kann die in Fig. 5 dargestellte
Schaltung dienen. Die Netzspannung wird nach Transformation auf den erforderlichen
Wert und Gleichrichtung dieser Schaltung über die Klemmen 64 und 65 zugeführt. In
den negativen Spannungspfad ist die Parallelschaltung eines Widerstandes 66 und
eines Transistors 67 geschaltet.
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Dieser Transistor wird nun so gesteuert, daß die Ausgangsspannung
an den Klemmen 24 und 25 konstant bleibt. Steigt diese Ausgangsspannung etwas an,
dann wird die Emitter-Basis-Spannung des Transistors 68 gleichfalls etwas ansteigen.
Dieser Transistor wird damit etwas leitender. Das Leitenderwerden des Transistors
68 bewirkt aber das Auftreten einer positiveren Spannung an der Basis des Transistors
69; denn bezüglich des Transistors 69 wirkt der Transistor 68 wie ein kleiner werdender
ohmscher Widerstand. Dies hat zur Folge, daß der Transistor 69 etwas mehr sperrt.
Damit vermindert er aber zugleich den Basisstrom des Transistors 67, so daß auch
dieser hochohmiger wird. Somit wird der Spannungsabfall an der Parallelschaltung
von Transistor 67 und Widerstand 66 größer und damit die Ausgangsspannung vermindert.
Eine entsprechende Umkehrung gilt bei Verminderung der Ausgangsspannung.
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Die elektronische Steuereinrichtung nach der Erfindung ermöglicht
also eine größtmögliche Ausnutzung der durch die verwendeten Kippstufen möglichen
Schaltzustände und damit die Einstellung der gewünschten Schaltmaßnahmen über eine
größere Anzahl von Impulsen, als es bei den bekannten Schaltungen möglich ist.