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Elektronische Zählkettenschaltung Die Erfindung betrifft eine elektronische
Zählkettenschaltung, die vorwiegend in der Impulstechnik zur Zählung oder Speicherung
von Impulsen verwendet wird. Derartige Kettenschaltungen benutzen als Verstärkerlemente
in den einzelnen Schaltstufen z. B. Röhren, Transistoren oder bistabile Kippstufen.
Die Steuerimpulse, z. B. die zu zählenden Impulse, werden dabei auf eine Steuerleitung
gegeben, die entweder nur auf die erste Stufe oder auf alle Stufen einer solchen
Kettenschaltung führt. Die Ketten bestehen normalerweise aus einer Anzahl bistabiler
Kippstufen, die jeweils zwei Elemente ohne Speichereigenschaft enthalten. Eine solche
Kettenschaltung wird meist in binärer Zählweise betrieben. Es sind jedoch auch Kettenschaltungen
bekannt, die in dekadischer Form zählen. Ein grundsätzlicher Mangel derartiger Schaltungen
mit Elementen ohne Speichervermögen ist in dem Aufwand von mindestens zwei Elementen
pro Schaltstufe zu sehen.
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Es sind aber auch schon Schaltungen zur Impulszählung bekanntgeworden,
die z. B. gemäß der ternären Zählweise arbeiten und aus drei Stufen aufgebaut sind,
wobei jede Stufe nur ein einziges steuerbares Element ohne Speichervermögen, insbesondere
eine Hochvakuumröhre, enthält. Eine solche bekannte Schaltung besteht z. B. aus
drei Mehrgitterröhren, die unter Verwendung von statischen und dynamischen Kopplungselementen
so miteinander gekoppelt sind, daß jede Röhre an ihrem Steuergitter ein anderes
Aussteuerungspotential erhält. Damit arbeitet jede Röhre auf einem anderen Arbeitspunkt,
und zwar derart, daß die eine Röhre fast nichtleitend, die zweite Röhre voll leitend
und die dritte Röhre zur Hälfte leitend ist. Die Steuerimpulse gelangen an alle
Steuergitter der miteinander gekoppelten Röhren und verschieben die verschiedenen
Aussteuerungszustände von Röhre zu Röhre. Diese Schaltung ist verhältnismäßig einfach
aufgebaut und kann ohne besonderen Aufwand sowohl zur Zählung von positiven als
auch negativen Impulsen verwendet werden, d. h., diese Schaltung kann vorwärts und
rückwärts zählen. Die genannten Vorteile werden allerdings durch den Nachteil der
Instabilität wieder aufgehoben, da die bekannte Schaltung infolge Selbsterregung
zu Eigenschwingungen neigt. Diese Selbsterregung wird durch die Verwendung dynamischer
Koppelelemente begünstigt.
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Es ist auch schon versucht worden, die Instabilität der bekannten
Kettenschaltungen trotz Beibehaltung von statischen und dynamischen Kopplungsmitteln
zwischen der Ausgangselektrode einer Schaltstufe und der Eingangselektrode der nachfolgenden
Schaltstufe dadurch zu vermeiden, daß die dynamische Kopplung an mindestens einer
Stelle des Kopplungsweges unterbrochen wird oder daß die dynamischen Kopplungsmittel
derart gedämpft werden, daß ein Unstabilwerden der Kettenschaltung verhütet wird.
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Diese bekannte Schaltung ist zwar selbsterregungsfrei, es hat sich
aber herausgestellt, daß im Zuge der Fortschaltung dann leicht eine Schaltstufe
übersprungen werden kann, was zur Verfälschung des Zählergebnisses führt. Außerdem
erfolgt die Fortschaltung der einzelnen stabilen Zustände bei dieser bekannten Schaltung
so, daß alle Stufen der Kettenschaltung in jedem Zustand zwei Gruppen bilden, von
denen die eine nur leitende und die andere nur gesperrte Elemente, z. B. Röhren,
enthält. Die zu zählenden Impulse öffnen nun der Reihe nach eine Röhre und ordnen
sie der Gruppe geöffneter Elemente zu, während gleichzeitig eine geöffnete Röhre
gesperrt und damit der Gruppe gesperrter Elemente zugeordnet wird. Da hierdurch
für jeden Zählschritt eine andere Anzahl von Elementen leitend bzw. gesperrt ist,
kann keine unmittelbare Ergebnisausgabe erzielt werden, d. h., es ist noch eine
zusätzliche Umrechnung erforderlich.
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Es ist auch eine Kettenschaltung mit Transistoren bekannt, welche
die Mängel der oben angeführten Röhrenschaltung vermeidet. Bei dieser Schaltung
ist jede Schaltstufe mit der folgenden Schaltstufe über eine statische Kopplungsleitung,
die vorzugsweise jeweils einen Widerstand enthält, verbunden. Über diese Kopplungsleitung
wird vom Ausgang einer aktivierten Schaltstufe dem Eingang der folgenden Schaltstufe
ein Sperrpotential zugeführt. Außerdem ist der Ausgang jeder Schaltstufe mit dem
Eingang der vorhergehenden Schaltstufe über einen derart gepolten Richtleiter gekoppelt,
daß der am Ausgang einer aktivierten
Schaltstufe liegende Richtleiter
durchlässig ist und die vorhergehende Schaltstufe niederohmig sperrt und zugleich
einen der vorhergehenden Schaltstufe zugeleiteten Zählimpuls ableitet, während die
Richtleiter an den anderen Schaltstufen gesperrt sind, so daß sich der Zählimpuls
nur an der der aktivierten Schaltstufe folgenden Schaltstufe durchsetzen kann, worauf
der an den Ausgang dieser nunmehr aktivierten Schaltstufe angeschlossene Richtleiter
die vorher aktivierte Schaltstufe in den Sperrzustand zurückführt. Bei dieser bekannten
Kettenschaltung, die mit Verstärkerelementen ohne Kippeigenschaft auskommt, wird
zur Festlegung einer definierten Fort schaltungsreihenfolge eine rein statische
Kopplung von Stufe zu Stufe vorgenommen, wobei den Koppelelementen noch eine nichtlineare
Charakteristik gegeben ist. Hierdurch wird in definierter Weise erreicht, daß mit
Sicherheit eine aktivierte Stufe die anderen Stufen in dem inaktivierten Zustand
festhält und gleichzeitig auch die aktivierte Stufe in diesem Zustand verbleibt.
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Diese Kettenschaltung hat jedoch noch den Nachteil, daß die Steuerimpulse
so viel Leistung enthalten müssen, daß die Weiterschaltung der Kette auf die nächste
Stufe sichergestellt wird. Dazu gehört ein Steuerstrom für die der aktivierten Stufe
folgenden Stufe, der ausreicht, das Verstärkerelement in den leitenden Zustand zu
versetzen. Da Transistoren als Verstärkerelemente verwendet werden, ist der Basissteuerstrom
nicht zu vernachlässigen, er ist immerhin in der Größenordnung von einigen zehntel
hülliampere bis zu einigen Milhampere. Da die Steuerkreise der einzelnen Schaltstufen
über Widerstände an der gemeinsamen Steuerleitung angeschaltet sind, die so hochohmig
sein müssen, daß die einzelnen Schaltstufen darüber noch entkoppelt sind, ergibt
sich eine beträchtliche Steuerleistung für die Steuerimpulse. Da diese Steuerimpulse
meist von anderen elektronischen Schaltgliedern abgegriffen werden müssen, ist für
die nötige Leistungsverstärkung zu sorgen, wenn man keine unerwünschte Beeinflussung
der die Steuerimpulse liefernden Einrichtung durch die Kettensteuerleitung zulassen
kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Kettenschaltung so auszubilden,
daß zur Weiterschaltung nur Steuerimpulse kleiner Leistung benötigt werden, so daß
die Kettenschaltung ohne zusätzliche Verstärker für den Steuerimpuls mit anderen
elektronischen Schaltgliedern direkt gekoppelt werden kann. Die erfindungsgemäße
Zählkettenschaltung mit mehreren ; Schaltstufen, die je ein steuerbares Verstärkerelement
ohne Kippeigenschaft aufweist, mit einer gemeinsamen Steuerleitung und mit einer
Richtleitersperrkette, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der einzelnen
Schaltstufen jeweils über einen Gedächtniskondensator mit dem Eingang der im Zyklus
folgenden Schaltstufe verbunden sind, daß durch den Impuls auf der gemeinsamen Steuerleitung
alle Schaltstufen gesperrt werden und daß nach dem Abklingen des Steuerimpulses
infolge der unterschiedlichen Ladung der Gedächtniskondensatoren die im Zyklus nachfolgende
Schaltstufe nach der vor Beginn des Impulses markierten Schaltstufe umgesteuert
bzw. durchgeschaltet wird: Da die Steuerimpulse nur Sperrpotential für die Transistorschaltstufen
- liefern f müssen, sind nur kleine Leistungen erforderlich, zumal die Sperrwiderstände
-der Basis-Emitter-Strecken sehr groß sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus
der Polarität der Steuerimpulse. Da das Sperrpotential z. B. bei PNP-Transistoren
positiv ist, in einheitlich mit PNP-Transistoren bestückten Schaltungen aber zweckmäßig
nur mit positiven Steuerimpulsen gearbeitet wird, erübrigen sich Inverterstufen
zur Umkehrung des Potentials. Nach einer Weiterbildung der Kettenschaltung werden
die Zählimpulse über ein Differenzierghed auf die gemeinsame Steuerleitung gegeben.
Dadurch wird unabhängig von der Dauer ,des Zählimpulses ein konstanter Steuerimpuls
für die Kettenschaltung gebildet. Dies ist von Bedeutung, da die Umladezeit der
Gedächtniskondensatoren an die Dauer der Steuerimpulse und an die Impulsfolgefrequenz
der Steuerimpulse angepaßt ist. Erfindungsgemäß ist die Richtleitersperrkette so
ausgebildet, daß der Eingang einer Schaltstufe von den Ausgängen der übrigen, mit
Ausnahme der jeweils folgenden Schaltstufe, gesperrt wird. Ein Ringzähler wird dadurch
gebildet, daß der Ausgang der letzten Schaltstufe über einen weiteren Gedächtniskondensator
mit dem Eingang der ersten Schaltstufe verbunden wird: Die Erfindung wird an Hand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert: In der
Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines vierstufigen Ringzählers dargestellt.
Die Kette besteht aus den vier Schaltstufen mit den als Verstärkerelement wirkenden
Transistoren T 1... T4. Die Anordnung der Zählkettenschaltung ist dabei so
getroffen, daß der Reihe nach die Ausgänge 1... 4 markiert werden, d. h.
Erdpotential E annehmen, wenn die zugeordnete Schaltstufe aktiviert, d: h: leitend
ist. Die einzelnen Schaltstufen sind über dynamische Koppelglieder miteinander verbunden.
Das wesentlichste Element der Koppelschaltungen ist jeweils der Gedächtniskondensator
C 1... C 4, der jeweils vom Ausgang einer Schaltstufe zum Eingang der nachfolgenden
führt. Da der Ausgang 4 über den Kondensator C 1 auf den Eingang der Schaltstufe
T 1 führt, ist der Ring geschlossen und die Schaltung geht vom Zustand »Schaltstufe
T4 aktiviert« beim folgenden Steuerimpuls in die Schaltstellung »T1 aktiviert« über.
Alle Schaltstufen T 1... T 4 werden über Entkopplungsgleichrichter
D 13 ... D 43 und Entkopplungswiderstände R 14 ... R
44 mit der gemeinsamen Steuerleitung S verbunden. Der Zählimpuls wird jedoch vorher
über das Differenzierglied aus dem Kondensator C 5 und dem Widerstand R 5 differenziert,
so daß unabhängig von der Länge des Zählimpulses ein konstanter Steuerimpuls für
die Eingangskreise der Schaltstufen abgeleitet wird. Die Polarität der Steuerimpulse
ist dabei so zu wählen, daß die Transistorschaltstufen während der Ansteuerung durch
den Steuerimpuls in den nichtleitenden Zustand übergehen. Während der Dauer des
Steuerimpulses sind also alle Schaltstufen gesperrt. Die vor der Ansteuerung gegebene
Schaltstellung der Zählkette wird durch die unterschiedliche Ladung der Gedächniskondensatoren
hinaus festgehalten. Nach dem Abklingen des Steuerimpulses wird durch die noch vorhandene
unterschiedliche Ladung der Gedächtniskondensatoren die Umsteuerung der auf die
vorher aktivierte Schaltstufe folgenden Schaltstufe bevorzugt und beschleunigt ausgeführt,
so daß die Zählschaltung sicher in die nächste Zählstellung übergeht. Die Zeitkonstante
für den Umladevorgang der Gedächtniskondensatoren ist dabei auf die Dauer der Steuer=
impulse abzustimmen. Nach Abklingen des Steuerimpulses,
d. h. Sperrung
aller Schaltstufen, muß der Ladungszustand der Gedächtniskondensatoren noch so sein,
daß die vorher aktivierte Schaltstufe daraus zu erkennen ist. Die Umladezeit darf
auch nicht zu groß bemessen sein, da der Umladevorgang nach einem Zählimpuls beendet
sein muß, bevor ein neuer Zählimpuls einläuft. Aus diesem Grunde empfiehlt es sich,
die Zählimpulse über das Differenzierglied in möglichst kurze Steuerimpulse umzuwandeln,
damit die Speicherzeit der Gedächtniskondensatoren klein bleiben kann und die Zählschaltung
bald wieder für die Speicherung eines neuen Zählimpulses bereit ist.
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Im folgenden wird nun die Wirkungsweise der Gedächtniskondensatoren
und der Richtleitersperrkette noch im einzelnen erläutert. Dabei wird davon ausgegangen,
daß die Schaltstufe T1 sich im aktivierten Zustand befindet. Der Kollektor des Transistors
T 1 führt daher nahezu Erdpotential, und an dem Arbeitswiderstand R 15 steht die
volle negative Spannung U 1. Über den Spannungsteiler R 21, R 22 und R23 erhält
die Basis des Transistors T2 direkt positive Sperrspannung von der Spannungsquelle
U 2 aus. Die Transistoren T 3 und T 4 erhalten ihr Sperrpotential
über die Richtleitersperrkette. Über den Gleichrichter D 32 greift das Ausgangspotential
der Schaltstufe T1 durch, so daß über den Spannungsteiler R 32, R 33 die Basis des
Transistors T3 positiv vorgespannt wird. Für die Schaltstufe T4 ist der Sperrstromkreis
über den Gleichrichter D 41 und den Spannungsteiler R 42, R 43 geschlossen. Daraus
ist zu ersehen, daß durch das Ausgangspotential einer aktivierten Schaltstufe über
die Richtleitersperrkette alle übrigen Schaltstufen, mit Ausnahme der jeweils nachfolgenden,
gesperrt gehalten werden.
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Der parallel zum Widerstand R 21 geschaltete Gedächtniskondensator
C2 weist nur eine kleine Ladespannung auf, da der Spannungsabfall an dem zum Spannungsteiler
R 21, R 22 und R 23 gehörenden Widerstand R 21 bei aktivierter Schaltstufe T1 ebenfalls
klein ist. In den übrigen Schaltstufen ist die Ladespannung der Kondensatoren C
1, C 3 und C 4, die parallel zu den Widerständen R 11, R 31 und R 41 liegen, wesentlich
größer. Während diese Widerstände mit einer Seite über die jeweiligen Arbeitswiderstände
R 45, R 25 und R 35 der Vorstufen auf dem Potential U 1 liegen, ist der Widerstand
R 11 mit der anderen Seite über den Widerstand R 12 mit der Basis des durchgeschalteten
Transistors T 1 verbunden, die in diesem Zustand annähernd Erdpotential führt. Die
Widerstände R 31 und R41 liegen mit der anderen Seite über die Richtleitersperrkette,
und zwar über die Gleichrichter D 32 und D41 in Reihe mit dem Kollektor des
durchgeschalteten Transistors T 1 annähernd auf Erdpotential. Sind nun z. B. die
Spannungen U, und U2 gleich groß, dann müssen die Widerstände R 13 ... R43
viel größer als die Widerstände R 15 ... R45 sein. Aus diesem Größenverhältnis
ergibt sich aber die unterschiedliche Ladung der Kondensatoren C 1... C 4
zwischen den beiden möglichen Schaltzuständen (leitend oder gesperrt) der einzelnen
Schaltstufen.
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Wird auf die gemeinsame Steuerleitung S ein positiver Zählimpuls gegeben,
dann wird dieser über das Differenzierglied aus dem Widerstand R 5 und dem Kondensator
C5 differenziert. Der daraus abgeleitete Nadelimpuls reicht aus, um alle Transistoren
T 1 bis T 4 über die zugeordneten Widerstände R 14 ... R44 und die Entkopplungsgleichrichter
D 13 ... D 43 kurzzeitig zu sperren. Dadurch wird auch der
Kollektor des Transistors T 1 wieder negatives Potential U 1
annehmen.
Die Zeitkonstante des Differenziergliedes C5, R 5 ist so bemessen,
daß auch nach Abklingen des Steuerimpulses die Ladespannung des Kondensators C 2
noch wesentlich kleiner als die der Kondensatoren C 1, C 3 und C 4 ist. Daher wird
über den Kondensator C2 die Basis des Transistors T2 schneller und stärker negativ
angehoben. Die Folge davon ist, daß der Transistor T2 leitend wird, und über das
Ausgangspotential am Ausgang 2 werden die Schaltstufen T 1 und
T 4 gesperrt gehalten, während die Schaltstufe T3 direkt über den Spannungsteiler
R 31., R 32 und R 33 gesperrt wird. Die Sperrung der Schaltstufen T 1 und
T 4 erfolgt wieder über die Richtleitersperrkette, diesmal über die Gleichrichter
D 11 und D 42. Der Ringzähler ist nun eine Stufe weitergeschaltet. Dieser Vorgang
wiederholt sich bei jedem Zählimpuls, wobei die Aktivierung einer Schaltstufe immer
nur eine Stufe im Zyklus 1 ... 4 weiterwandert. Der Ring ist dabei über die
Kopplung C 1 von der Schaltstufe 4 zu der Schaltstufe l geschlossen.