DE1126927B - Zaehler aus bistabilen Stufen - Google Patents

Description

• Zähler aus bistabilen Stufen Die Erfindung betrifft einen Zähler aus bistabilen Stufen, deren jede zwei Eingänge und zwei komplementäre Ausgänge besitzt und denen die Zählimpulse an sämtlichen Eingängen über je von einem Ausgang gesteuerte Eingangstorschaltungen zugeführt werden. Bistabile Stufen mit zwei Eingängen und zwei komplementären Ausgängen für sehr schnelle Zähler lassen sich z. B. in bekannter Weise als Flip-Flops in Eccles-Jordan-Schaltung aus zwei Transistoren aufbauen, wie dies als Beispiel in Fig. 1 dargestellt ist. Die Zuführung der Triggerimpulse geschieht hier an den mit den Basiselektroden der Transistoren verbundenen Eingangsklemmen a bzw. a'. Bei einer Betriebsspannung von - U = - 12V lassen sich an den mit den Kollektorelektroden verbundenen Ausgangsklemmen A bzw. A' Ausgangsspannungen von -1 bzw. -12V abnehmen, wobei jeweils an der einen Ausgangsklemme die eine Ausgangsspannung und an der anderen Ausgangsklemme die andere Ausgangsspannung auftritt, je nachdem, welcher der beiden Transistoren durch den vorhergehenden Triggerimpuls gerade in den leitenden Zustand gesteuert worden ist.
• Es gibt viele Abwandlungen der in Fig. 1 dargestellten Flip-Flop-Schaltungen, die auch mit anderen aktiven Schaltelementen, z. B. mit Vakuumröhren oder Gasentladungsröhren, aufgebaut sein können.
• Welcher Art die im folgenden verwendeten bistabilen Stufen sind, ist für die Erfindung an sich nicht wesentlich, sie sollen deshalb im folgenden schematisch gemäß Fig. 1 a dargestellt werden, wo nur die wesentlichen Eigenschaften eingezeichnet sind, nämlich das Vorhandensein der beiden Eingangsklemmen a und a', an denen die Eingangs-Triggerimpulse zugeführt werden, und das Vorhandensein der Ausgangsklemmen A und A', an denen die beiden Ausgangsspannungen von z. B. - 1 und - 12 V auftreten, wobei diese beiden Ausgangsspannungen jeweils verschiedene Werte haben. Ordnet man dem negativen Wert die Binärzahl L und dem positiveren Wert die Binärzahl 0 zu, so gilt also, daß die beiden Ausgänge jeweils zueinander komplementär sind.
• Es ist bereits bekannt, daß für einen einzelnen Flip-Flop die schnellste Zählgeschwindigkeit zu erreichen ist, wenn vor die Eingangsklemmen a bzw. a' zwei durch die Kollektoren gesteuerte Torschaltungen geschaltet werden, so daß jeweils nur die Eingangsklemme des bistabilen Elementes für die Triggerimpulse zugänglich ist, die mit dem Transistor verbunden ist, der gerade durch den nächsten Triggerimpuls umgeschaltet werden soll.FürpositiveTriggerimpulse zeigt Fig. 2 eine solche Eingangstorschaltung. Sie besteht im einfachsten Falle in bekannter Weise aus einer DiodeD, deren Kathode an der betreffenden Eingangsklemme a bzw. a' liegt und deren Anode einerseits die Triggerimpulse von einer Klemme E über einen Kondensator C und andererseits eine Steuerspannung über einen Widerstand R vom Kollektor des gleichen Transistors zugeführt werden. Für negative Triggerimpulse zeigt Fig. 3 eine entsprechende Eingangstorschaltung, bei der lediglich die DiodeD umgekehrt gepolt ist und außerdem an den Verbindungspunkt der Diode D mit dem Widerstand R über einen weiteren Widerstand R' eine positive Spannung + U gelegt ist. Die Fig. 2 a bzw. 3 a zeigen die im folgenden für derartige Eingangstorschaltungen verwendeten Symbole.
• Damit die Steuerung einer bistabilen Stufe der obenerwähnten Art funktionieren kann, darf der nächste Triggerimpuls erst in einem solchen Zeitabstand vom vorhergehenden eintreffen, daß die eine Torschaltung inzwischen gesperrt und die andere geöffnet ist. Fig. 4 zeigt die zeitlichen Verhältnisse, wobei in der obersten Zeile die über die Torschaltungen den Eingangsklemmen a und a' zugeführten Triggerimpulse dargestellt sind, in der zweiten Zeile der Spannungsverlauf u an der Ausgangsklemme A und in der dritten Zeile der Spannungsverlauf u an der Ausgangskleinnie A' einer Schaltung nach Fig. 1. Nachdem ein positiver Triggerimpuls auf die Basis des Transistors Tr, gelangt ist, verstreicht zunächst eine kurze Zeit tj, die die Ladungsträger benötigen, um den Basisraum und die Kollektorschicht zu durcheilen, die noch um einen gewissen Betrag verlängert wird, bis das Ausgangssignal am Kollektor sich um einen bestimmten Schwellwert geändert hat. Dann dauert es noch eine Zeit t., bis sich der Endwert der Kollektorspannung eingestellt hat. Während der Übergangsflanke der Kollektorspannung von Transistor Tr, wirkt diese Spannungsänderung über die Koppelkapazität auf die Basis des Transistors Tr., ein. Auch hier verstreicht zunächst eine Laufzeit #., und eine Einschwingzeit t4, bis der Endwert der Kollektorspannung des Transistors Tr. an A' erreicht ist. Erst jetzt darf der nächste Triggerimpuls der Schaltung zugeführt werden. Um eine möglichst große Zählfrequenz zu erreichen, muß man also dafür sorgen, daß die Flankenzeiten sehr kurz werden, was man am besten dadurch erreicht, daß die Basis des anzusteuernden Transistors dynamisch kurz und sehr stark angesteuert wird. Bei den bekannten Zählmethoden, bei denen die erste bistabile Stufe einer Zählkette bei jedem Zählimpuls umgeschaltet wird, kommt man jedoch über eine maximale Zählfrequenz nicht hinaus, wobei t. die Flankenverschiebung zwischen den Impulsen an Transistor Tr, und Transistor Tr-, bedeutet.
• Die Erfindung bezieht sich auf Zählmethoden, bei denen die Zählfrequenz weiter erhöht werden kann -, und zwar dadurch, daß in der Zählkette eine solche Verbindung der Ausgänge der Zählstufen mit den Torschaltungen vorgesehen ist, daß jede bistabile Stufe während mehrerer Zählimpulse im gleichen Zustand bleibt. Es klappt also auch die erste Zählstufe nicht bei jedem Triggerimpuls, sondern erst bei jedem zweiten, dritten oder allgemein n-ten Impuls um. Außerdem werden besondere Mittel angegeben, die es gestatten, daß auch die in vorstehender Formel auftretende Zeit t. nicht mehr abgewartet zu werden braucht.
• Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß eine solche Ringschaltung der N bistabilen Stufen hergestellt wird, daß bei N - 1 Stufen jeweils die linke Eingangstorschaltung von einem linken Ausgang und die rechte Eingangstorschaltung von einem rechten Ausgang gesteuert wird, während bei einer Stufe die linke Eingangstorschaltung von einem rechten Ausgang und die rechte Eingangstorschaltung von einem linken Ausgang gesteuert wird.
• Bei den im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden die beiden Eingänge a und d der bistabilen Stufen mit »linker« bzw. »rechter« Eingang und die beiden zueinander komplementären Ausgänge A und A' als »linker« bzw. »rechter« Ausgang bezeichnet. Dies sind an sich willkürliche Festlegungen, die nur zur Unterscheidung der beiden Eingänge und der ihnen zugeordneten Ausgänge dienen. Sinngemäß können also diese Bezeichnungen auch vertauscht werden. Weiterhin ist in den zu beschreibenden Ausführungsbeispielen von Ringschaltungen der bistabilen Stufen die Rede, bei denen eine »erste«, eine »zweite«.... bis eine »letzte« Stufe erwähnt wird. Auch diese Bezeichnung ist willkürlich, da in einer Ringschaltung jedes Glied als das erste, zweite usw. bezeichnet werden kann. Wenn besondere Maßnahmen z. B. nur zwischen der Aetzten« und der »ersten« Stufe getroffen werden sollen, so kann dies natürlich ebensogut zwischen der dritten und vierten oder zwischen sonst zwei aufeinanderfolgenden Stufen geschehen.
• Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird der Zweck der Erfindung durch eine solche Ringschaltun- der bistabilen Stufen erreicht, bei der je- weils der linke Ausgang A, (i = 1, 2, 3) einer Stufe die linke Eingangstorschaltung Ti, , und der rechte AusgangAi' die rechte Eingangstorschaltung T,'" der folgenden Stufe steuert, wobei jedoch der linke Ausgang A, der letzten Stufe die rechte Eingangstorschaltung T, und der rechte Ausgang AJ die linke Eingangstorschaltung T, der ersten Stufe steuert. Die Zählimpulse werden von der Eingangsklemme E über die Kondensatoren C sämtlichen Torschaltungen gleichzeitig zugeführt. Nimmt man einen Anfangszustand an, bei dem alle linken Ausgänge Al Null sind, also das positivere Potential (z. B. - 1 V) haben, und alle rechten Ausgänge Al' Eins (L), also das negativere Potential von z. B. - 12 V haben, und bezeichnet diesen Zustand mit 0 0 0, so erkennt man, daß in diesem Zustand die Torschaltungen T., T3 und T,' geöffnet sind. Ein positiver Triggerimpuls, der über die Klemme E eintrifft, findet die zweite und dritte Stufe bereits in dem Zustand, in den er sie umklappen würde und klappt daher nur die erste Stufe um, so daß nunmehr der Zustand L 0 0 herrscht. Jetzt sind die Torschaltungen T.', T, und Tl' geöffnet, der nächste Trägerimpuls klappt daher die zweite Stufe um, so daß nurunehr der Zustand LL 0 herrscht und die Torschaltungen T.', TJ und T,' geöffnet sind. Demgemäß klappt der dritte eintreffende Zählimpuls die dritte Stufe um, so daß nunmehr der Zustand L L L herrscht. Wie man leicht erkennt, werden durch die folgenden Zählimpulse nacheinander die Zustände OLL, OOL und schließlich 000 hergestellt. Durch die nacheinander auftretenden Triggerimpulse werden also die in der folgenden Tabelle nochmals zusammengestellten Zustände des Zählringes erzeugt:

  Tabelle 1

  1 1 1 11 1 111 -

  0 0 0 0

  1 L 0 0

  2 L L 0

  3 L L L

  4 0 L L

  5 0 0 L

  6 0 0 0

  Der Zähler kann also, wie man erkennt, sechs verschiedene Zustände einnehmen, allgemein kann ein Zähler mit N Stufen 2N verschiedene Zustände einnehmen gegenüber gewöhnlichen Binärzählern, die bei N Stufen 2N verschiedene Zustände einnehmen können. Durch den für Stufenzahlen>2 erforderlichen größeren Aufwand an Zählstufen wird derVorteil erreicht, daß sämtliche Stufen, also auch die »erste«, nur bei jedem N-ten, in Fig. 5 also bei jedem dritten Zählimpuls umklappen. Dadurch lassen sich innerhalb einer Zählstufe größere Zeitkonstanten realisieren, die die Umklappzeiten verringern und eine größere Erholungszeit ermöglichen. In dieser Schaltung kann dann die Zählfrequenz des gesamten Zählers heraufgesetzt werden.
• Das Prinzip der Erfindung läßt sich ohne größeren Aufwand an Zählstufen für Binärzähler in der Weise anwenden, daß die ersten beiden Stufen nach der an Hand der Fig. 5 erläuterten Weise geschaltet werden, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die folgende Tabelle zeigt die durch die einzelnen bei E zugeführten Zählimpulse herbeigeführten Zustände eines solchen Zählers:

  Tabelle 2

  0 0

  1 L 0

  2 L L

  3 0 L

  4 0 0

  Die Umklappfrequenz der bistabilen Stufen ist also auf ein Viertel der Zählimpulsfrequenz herabgesetzt, an der Ausgangsklemme Z treten dann Zählimpulse mit einem Viertel der Eingangsimpulsfrequenz auf, die in weiteren Zählstufen bekannter Bauart weiterverarbeitet werden können.
• Zur Herabsetzung der Zählkapazität ist es z. B. für dezimale Zähler bekannt, einen an sich bis 16 zählenden Zähler aus vier Stufen durch innere Kopplungen zwischen einzelnen Stufen so abzuwandeln, daß der Zähler bereits nach zehn Schritten seine Ausgangsstellung wieder erreicht. Damit erhält man dekadische Zähler, deren maximale Zählfrequenz etwa 30% unterhalb der Zählfrequenz von binären Zählern liegt. Durch Anwendung der Prinzipien der Erfindung können dekadische Zähler gebaut werden, deren maximale Zählfrequenz gleich der von binären Zählern ist. Dies soll im folgenden an Hand der Fig. 7 und 8 für zwei verschiedene Ausf ührungsmöglichkeiten einer dezimalen Zählstufe erläutert werden.
• Fig. 7 zeigt einen Zähler mit drei Stufen, die ähnlich wie die drei Stufen des Zählers der Fig. 5 ge- schaltet sind. Jedoch ist die linke Eingangstorschaltung der ersten Stufe nicht mit dem rechten Ausgang der letzten Stufe, sondern statt dessen am Punkt P mit dem rechten Ausgang der vorletzten Stufe verbunden. Dadurch kann ein solcher Zähler, wenn er allgemein N Stufen hat, bis 2 N - 1 zählen, im vorliegenden Falle bei drei Stufen also bis 5. Durch Anfügen einer gewöhnlichen Binärzählstufe IV an die Ausgangsklemme Z der dritten Stufe wird so ein Dezimalzähler gebildet, der ebenso wie die bekannten Dezimalzähler aus vier Flip-Flops oder Stufen besteht, bei der jedoch auch die Eingangsstufe mit einer niedrigeren Frequenz umgeschaltet wird als der Zählimpulsfrequenz. Die einzelnen, nacheinander auftretenden Zustände eines solchen Zählers sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

  Tabelle 3

  ill iv

  0 0 0 0 0

  1 L 0 0 0

  2 L L 0 0

  3 0 L L 0

  4 0 0 L 0

  5 0 0 0 L

  6 L 0 0 L

  7 L L 0 L

  8 0 L L L

  9 0 0 L L

  10 0 . 0 0 0

  Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Dezimalzählstufe, bei der das an Hand der Fig. 5 erläuterte Schaltungsprinzip in der Weise abgewandelt ist, daß die linke Eingangstorschaltung der dritten Binärstufe statt von dem linken Ausgang der zweiten, von dem linken Ausgang der ersten Stufe gesteuert wird. Die Zustände bei den einzelnen Zählschritten sind hier in der folgenden Tabelle angeführt.

  Tabelle 4

  li 1 111 iv

  0 0 0 0 0

  1. L 0 0 0

  2 L L L 0

  3 0 L L 0

  4 0 0 L 0

  5 0 0 0 L

  6 L 0 0 L

  7 L L L L

  8 0 L L L

  9 0 0 L L

  10 1 0 0 0 0

  Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen waren als Eingangstorschaltungen stets solche verwendet, die auf positive Steuerspannungen ansprechen und po#sitive Impulse hindurchlassen, also Torschaltungen für positive Koinzidenzen. In gleicher Weise lassen sich natürlich auch Schaltungen für negative Impulse aufbauen, wobei man dann Torschaltungen für negative Koinzidenzen verwenden muß, also solche, wie sie z. B. in Fig. 3 und 3 a dargestellt sind.
• Eine weitere Möglichkeit zur Anwendung der Erfindung ergibt sich bei Verwendung von abwechselnd positiven und negativen Triggersignalen. Solche Signale können z. B. durch Verzerrung- einer Sinusschwingung und nachfolgender Differentiation erzeugt werden. Entsprechende Schaltungen, die vorzugsweise als Zeitzähler oder Frequenzzähler verwendet werden können, erfordern eine gerade Anzahl von Zählstufen, wobei die Eingangstorschaltung der einzelnen Stufen abwechselnd für positive und negative Impulse und Steuersp#annungen bemessen sind.
• Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Schaltung, die äußerlich genau so aufgebaut ist wie die Schaltung nach Fig. 5; sie besitzt jedoch vier bistabile Stufen, von denen die ungeradzahligen mit Eingangstorschaltungen für positive Koinzidenzen gemäß Fig. 2 a und die geradzahligen mit Eingangstorschaltungen für negative Koinzidenzen gemäß Fig. 3 a ausgestattet sind. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine solche Schaltung in der gleichen Weise arbeitet, wie die Schaltung nach Fig. 5, wenn an der Eingangsklemme E, wie angedeutet, abwechselnd positive und negative Zählimpulse zugeführt werden. Dies sei nur für die beiden ersten Zählimpulse näher erläutert. Der Zähler hat die Anfangsstellung 0 0 0 0. Für den ersten positiven Impuls sind die Tore Tl' -und T, geöffnet, der erste Impuls wird aber nur an dem ersten Flip-Flop wirksam und wirft dieses in die Stellung L um, während das dritte Flip-Flop bereits in der Stellung steht, die über das Tor T, eingestellt werden kann. Über die negativen Koinzidenztore T., T2" T43 T 4' kann der positive Impuls nicht wirksam werden. Der nächste eintreffende Impuls ist negativ und findet das Tor T., geöffnet, nach dem das erste Flip-Flop 1 in seine L-Stellung geworfen ist und daher an seinem Ausgang A, ein negatives Potential abgibt. Der negative Triggerimpuls wirft daher das zweite Flip-Flop 11 in seine L-Stellung, während das vierte Flip-Flop IV in der NuR-Stellung bleibt. Der dritte Impuls, der wieder positiv ist, findet nur in der dritten Stufe das Tor geöffnet, durch welches das entsprechende Flip-Flop umgeworfen werden kann usf. Es ergeben sich somit die in der folgenden Tabelle dargestellten, aufeinanderfolgenden Stellungen der einzelnen bistabilen Stufen:

  Tabelle 5

  0 0 0 0 0

  1 L 0 0 0

  2 L L 0 0

  3 L L L 0

  4 L L L L

  5 0 L L L

  6 0 0 L L

  7 0 0 0 L

  8 0 0 0 0

  Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere, nicht auf die in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten speziellen Schaltungen für die bistabilen Stufen und ihre Eingangstorschaltungen, sondern kann in mannigfacher Weise mit anderen bistabilen Stufen wie Röhrentriggern, Relais u. dgl. verwirklicht werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Zähler aus bistabilen Stufen, deren jede zwei Eingänge und zwei komplementäre Ausgänge besitzt und denen die Zählimpulse an sämtlichen Eingängen über je von einem Ausgang gesteuerte Eingangs-Torschaltungen zugeführt werden, gekennzeichnet durch eine solche Ringschaltung aus N bistabilen Stufen, daß bei N - 1 Stufen jeweils die linke Eingangstorschaltung von einem linken Ausgang und die rechte Eingangstorschaltung von einem rechten Ausgang gesteuert wird, während bei einer Stufe die linke Eingangstorschaltung von einem rechten Ausgang und die rechte Eingangstorschaltung von einem linken Ausgang gesteuert wird.
2. 2. Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die Ausgänge der i-ten Stufe die Eingangstorschaltung der (i+1)-ten Stufe steuern (i= 1, 2 ... N, N+l#-1). 3. Zähler nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zählung abwechselnd positiver und negativer Zählimpulse eine gerade Anzahl von Zählstufen vorgesehen ist und die Eingangstorschaltungen der einzelnen Stufen abwechselnd für positive und negative Impulse und Steuerspannungen bemessen sind (Fig. 9). 4. Zähler nach Anspruch 2 mit N Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Zählkapazität 2 N - 1 statt des rechten Ausganges der N-ten Stufe der rechte Ausgang der (N - 1)-ten Stufe die linke Eingangstorschaltung der ersten Stufe steuert (Fig. 7). 5. Zähler nach Anspruch 2 mit N Stufen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Zählkapazität 2N-1 statt des linken Ausgangs der (N-1)-ten Stufe der linke Ausgang der (N-2)-ten Stufe die linke Eingangstorschaltung der N-ten Stufe steuert (Fig. 8). 6. Zähler nach Anspruch 1 mit zwei Stufen, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Eingangsstufenanordnung für mehrstellige Binärzähler. 7. Zähler nach Ansprach 4 oder 5 mit N=3 Stufen, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Eingangsstufenanordnung für eine vierstufige dezimale Zähleinheit. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 966 115.