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Binäre logische Negationsschaltung Die Erfindung betrifft eine binäre
logische Negationsschaltung mit zwei parallel geschalteten Tunneldioden, einer Eingangsklemme,
welche gegebenenfalls einen einem Binärwert zugeordneten Eingangsimpuls empfängt,
einer Ausgangsklemme und einem dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis gemeinsamen
Bezugspotentialpunkt.
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Bei einer bekannten Schaltung dieser Art liegen die Tunneldioden in
zwei parallelen Stromzweigen, denen die Eingangsimpulse über einen Widerstand und
zugleich Taktimpulse unmittelbar zugeführt werden. In dem einen Stromzweig liegt
in Serie mit der Tunneldiode ein Widerstand, an dem die Ausgangssignale abgenommen
werden.
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Bei dieser bekannten Schaltung wird der Vorteil der großen Arbeitsgeschwindigkeit
der Tunneldioden ausgenutzt, so daß mit hohen Impulsfrequenzen gearbeitet werden
kann. Die Schaltung hat aber keine Speicherwirkung, so daß erforderlichenfalls ein
zusätzlicher Impulsspeicher vorgesehen werden muß. Außerdem besteht die Einschränkung,
daß die Eingangsimpulse zu bestimmten Zeitpunkten, nämlich stets zugleich mit den
Taktimpulsen, zugeführt werden müssen.
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Es sind andererseits Negationsschaltungen mit Speicherwirkung in Form
von bistabilen Kippschaltungen mit Elektronenröhren oder Transistoren bekannt. Diese
Schaltungen sind aber wegen der verhältnismäßig kleinen Arbeitsgeschwindigkeit für
hohe Impulsfrequenzen ungeeignet.
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Das Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung einer binären logischen
Negations'schaltung der eingangs angegebenen Art, in der das Signal beliebig lang
gespeichert werden kann, und bei der keine Einschränkung hinsichtlich des Zeitpunkts
der Zuführung der Eingangssignale besteht.
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Die Negationsschaltung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch
einen Kondensator, der zwischen der mit der Eingangsklemme verbundenen Anode der
ersten Tunneldiode und der mit der Ausgangsklemme verbundenen Anode der zweiten
Tunneldiode angeschlossen ist, während die Katoden der beiden Tunneldioden mit dem
gemeinsamen Bezugspotentialpunkt verbunden sind, zwei getrennte Stromquellen, die
so bemessen und angeschlossen sind, daß sie im Ruhezustand die beiden Tunneldioden
derart verschieden in ihren stabilen Niederspannungszustand vorspannen, daß der
durch die erste Tunneldiode fließende Strom um einen solchen Betrag größer als der
durch die zweite Tunneldiode fließende Strom ist, daß ein der Eingangsklemme zugeführter
Eingangsimpuls nur die erste Tunneldiode in ihren anderen stabilen Zustand (Hochspannungszustand)
gehen läßt, und durch zwei Widerstände, welche die Anoden der beiden Tunneldioden
mit einer Prüfklemme verbinden, an welche ein Prüfimpuls eine bestimmte Zeit nach
dem Zeitpunkt des möglichen Auftretens eines Eingangsimpulses angelegt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Negationsschaltung wird die Tatsache ausgenutzt,
daß eine Tunneldiode eine Strom-Spannungs-Kennlinie besitzt, die in der Durchlaßrichtung
mit einem ansteigenden Abschnitt, also mit positivem Widerstand beginnt, auf den
ein abfallender Abschnitt, also mit negativem Widerstand folgt, an den sich wiederum
ein ansteigender Abschnitt, also mit positivem Widerstand anschließt. Wegen dieser
Form der Kennlinie bildet eine Tunneldiode in Verbindung mit einer Stromquelle eine
bistabile Anordnung, die billig ist und wenig Raum einnimmt.
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Auf Grund der zuvor angegebenen Ausbildung der Negationsschaltung
bildet jede Tunneldiode mit den zugehörigen Schaltungselementen, nämlich dem zugehörigen
Lastwiderstand und der Gleichspannungsquelle ein unabhängiges bistabiles Element.
Durch das Zuführen eines Eingangsimpulses wird das erste bistabile Element aus dem
einen in den anderen stabilen Zustand gebracht. Dadurch ist die Zuführung dieses
Eingangsimpulses für beliebig lange Zeit gespeichert. Das spätere Zuführen des Prüfimpulses
über die getrennten Widerstände hat zur Folge, daß der Speicherzustand des ersten
bistabilen Elements komplementär auf das zweite bistabile Element übertragen wird,
d. h., das zweite bistabile Element ändert seinen Zustand nur dann, wenn das erste
bistabile
Element zuvor seinen Zustand nicht geändert hat. Damit
ist der durch die Zuführung des Eingangsimpulses ausgedrückte Binärwert für beliebig
lange Zeit, nämlich gegebenenfalls bis zur Zuführung eines Löschimpulses, durch
den Zustand des zweiten bistabilen Elements komplementär gespeichert. Dieser komplementäre
Speicherwert steht vom Augenblick der Zuführung des Prüfimpulses an an der Ausgangsklemme
zur Verfügung.
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Im Vergleich zu den bekannten Negationsschaltungen mit Speicherwirkung
ergibt die Erfindung außer der größeren Arbeitsgeschwindigkeit den Vorteil eines
einfacheren und billigeren Aufbaus.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß das am Ausgang
verfügbare Signal dieselbe Amplitude aufweist, wie das dem Eingang zugeführte Signal.
Schließlich kann die Negationsschaltung auf Grund der geschilderten Arbeitsweise
sowohl bei einem durch Impulse mit nur zwei Phasen synchronisierten Rechengerät
als auch bei einem Asynchronrechengerät, das ohne festen Takt arbeitet, unverändert
verwendet werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen beispielshalber erläutert.
Darin zeigt F i g. 1 ein Schaltbild der Negationsschaltung nach der Erfindung, F
i g. 2 und 3 Kennlinien zur Erläuterung der Wirkungsweise, F i g. 4 das Blockschaltbild
einer logischen Schaltungsgruppe, in der die erfindungsgemäße Anordnung enthalten
sein kann, und F i g. 5 die graphische Darstellung von Impulszügen, die einer Anzahl
von logischen Schaltungsgruppen zugeführt werden können.
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In einem informationsverarbeitenden Gerät kann eine logische Schaltungsgruppe
erforderlich sein, wie sie in Form eines Blockschaltbildes in F i g. 4 dargestellt
ist. Mit A und B sind zwei beliebige logische Operatoren bezeichnet.
Jeder dieser Operatoren besteht aus logischen Elementarschaltungen, auf die ein
Speicherorgan folgt, das eine Schaltung mit zwei stabilen Zuständen (Kippschaltung)
sein kann. In üblicher Weise kann gesagt werden, daß der Binärwert »l« verfügbar
ist, wenn der Spannungswert an einer bestimmten Ausgangsklemme der Kippschaltung
hoch oder positiv ist, während der Binärwert »0« besteht, wenn dieser Spannungswert
dem Potential 0 oder beispielsweise dem Massepotential entspricht.
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Als Beispiel ist jeder Operator mit zwei Eingängen dargestellt, welche
die Werte a, b bzw. c, d empfangen können, sowie mit einem Steuereingang,
dem ein Impuls X zugeführt werden kann, der von einem Synchronisationsgenerator
od. dgl. geliefert wird. Die Angaben R und R' sind eingesetzt, um die den beiden
logischen Operatoren eigenen übertragungs-bzw. Verzögerungszeiten anzugeben. Eine
derartige Verzögerungszeit entspricht der Zeit, die zwischen dem Zeitpunkt der Zuführung
des Impulses X und dem Zeitpunkt des Erscheinens des dadurch ausgelösten Signals
am Ausgang jedes Operators verstreicht. In der Praxis läßt sich feststellen, daß
die Verzögerungszeiten R, R' nur sehr selten gleich sind. Wenn die Impulswiederholungsfrequenz
sehr groß ist, würde es einen sehr großen Aufwand erfordern, diese Verzögerungszeiten
streng einander gleich zu machen.
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Die mit Neg bezeichnete Anordnung ist eine Negationsschaltung, die
an ihrem Ausgang die Funktion f (a, b) liefert, wenn ihrem Eingang die Funktion
f (a, b) zugeführt wird. Man kann annehmen, daß ihre Übertragungsverzögerung
vernachlässigbar ist.
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Der Ausgang des logischen Operators B und der Ausgang der Negationsschaltung
Neg sind jeweils mit einem Eingang einer logischen Und-Schaltung verbunden. Es kann
ein fehlerhafter Betrieb entstehen, wenn die Verzögerungszeit R' kleiner als die
Verzögerungszeit R ist.
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Man braucht nämlich nur zu überlegen, was in einem solchen Fall vom
Zeitpunkt t, an geschieht, in dem der Impuls X den beiden Operatoren
A
und B zugeführt wird. Man kann zunächst den Fall eliminieren, daß der Ausgang
von B die Funktion f (c, d) = 0 abgibt, weil dann der untere Eingang der
Und-Schaltung nichts empfängt. Es sei aber nun der Fall betrachtet, daß das Ausgangssignal
von B im Zeitpunkt to+R' von 0 nach 1 geht. Wenn das Ausgangssignal von
A der Funktion f (a, b) = 0 ent-@;pricht, ist der Spannungswert
am Ausgang der Negationsschaltung f (a, bj = 1, also ein hoher Spannungswert,
und die Information wird zu den beiden Eingängen der Und-Schaltung richtig übertragen.
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Wenn dagegen das Ausgangssignal des Operators A der Funktion
f (a, b) = 1 entspricht, liefert der Ausgang der Negationsschaltung
Neg die Funktion j -(ab) b) = 0 erst zu dem Zeitpunkt t, + R. Während des
Zeitintervalls R---R' haben die beiden Ausgangssignale der Schaltung Neg und der
Schaltung B den Wert 1, so daß in diesem Fall die den Eingängen der Und-Schaltung
zugeführte Information kurzzeitig falsch ist.
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Zur Beseitigung dieser Fehlerursache muß eine logische Negationsschaltung
erdacht werden, die Speichereigenschaften aufweist und so ausgeführt ist, daß sie
anschließend die gespeicherte Information weiter überträgt, wobei diese Übertragung
erst zu einem Zeitpunkt wirksam wird, der durch einen Prüf- oder Fortschalteimpuls
bestimmt ist.
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Die Negationsschaltung soll nun unter Bezugnahme auf F i g. 1 im einzelnen
untersucht werden: Die Negationsschaltung mit Speicherwirkung enthält im wesentlichen
zwei Dioden DT 1 und DT 2
mit negativem Widerstand, auch Tunneldioden
genannt. Der Lastwiderstand 11 ist zwischen der Anode der Diode DT
1 und dem positiven Pol einer Spannungsquelle 20 angeschlossen, während der
Lastwiderstand 12 zwischen der Anode der Diode DT 2 und dem positiven Pol
der Spannungsquelle 20 angeschlossen ist; die Spannungsquelle ist symbolisch
als Batterie dargestellt.
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In elektrischer Hinsicht bildet der Verbindungspunkt 13' die Verbindung
der Eingangsklemme 13 mit der Anode der Diode DT 1, einer Belegung des Kondensators
21 und einem Ende der Widerstände 11, 15 und 17. In gleicher Weise
bildet der Verbindungspunkt 14' die Verbindung der Ausgangsklemme 14 mit der Anode
der Diode DT 2, der anderen Belegung des Kondensators 21 und einem
Ende der Widerstände 12,16 und 18. Die Katode jeder der Dioden DT
1 und DT 2 ist an den negativen Pol der Spannungsquelle
20 angeschlossen; dieser Pol liefert das Nullpotential oder Bezugspotential
im Vergleich zu den an anderen Stellen der Schaltung zugeführten Spannungen oder
Impulsen.
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Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 15 und 16 ist an eine
Klemme 22 angeschlossen, die zum Empfang der Prüfimpulse bestimmt
ist.
Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 17 und 18 ist mit einer Klemme 23
verbunden, die zum Empfang der Löschimpulse für die Anordnung bestimmt ist.
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Die Diode 24 und der Widerstand 25, die in der Darstellung an die
Eingangsklemme 13 angeschlossen sind, dienen als Verbindungsorgane, welche die Übertragung
von Impulsen nach vorn, beispielsweise zu dem logischen Operator A von F i g. 4
hin verhindern. Bei einer sehr hohen Impulsfrequenz ist eine gewöhnliche Diode hierfür
nicht geeignet; man kann statt dessen eine Tunneldiode mit entarteter Kennlinie
verwenden, die entgegengesetzt zu der normalen Richtung gepolt ist.. Im übrigen
können die Organe 24, 25 eines der Eingangsglieder einer Oder-Schaltung mit mehreren
Eingängen sein, falls der Eingang 13 an den Ausgang einer solchen Oder-Schaltung
angeschlossen werden soll.
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In F i g. 2 stellt die Kurve 26 die Strom-Spannungs-Kennlinie der
Diode DT 1. dar. Der Wert des Widerstandes 11 ist so bemessen, daß
die Lastlinie 27 die Kurve 26 in drei Punkten schneidet, wobei die beiden Schnittpunkte
28 und 29 den beiden stabilen Zuständen der Stromführung entsprechen, welche von
diesem Zweig der Schaltung angenommen werden können. Der Punkt 28 entspricht dem
als »Niederspannungszustand« bezeichneten stabilen Zustand, der willkürlich dem
Binärwert 0 zugeordnet werden kann. Der Punkt 29 entspricht dem stabilen Zustand,
der als »Hochspannungszustand« bezeichnet wird und dem Binärwert 1 zugeordnet werden
kann.
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In F i g. 3 stellt die Kurve 31 die Strom-Spannungs-Kennlinie der
Diode DT 2 dar, welche derjenigen der Diode DT 1 nach Möglichkeit
gleich ist. Der Wert des Widerstandes 12 ist so bemessen, daß die Lastlinie 32 die
Kurve 31 gleichfalls in drei Punkten schneidet, von denen die beiden Punkte 33 und
34 den beiden stabilen Zuständen entsprechen, welche von diesem Zweig der Schaltung
eingenommen werden können.
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Nach dem Anlegen eines negativen Löschimpulses an die Klemme 23 (F
i g. 1) sind die beiden Dioden DT 1 und DT 2 in ihren Niederspannungszustand,
also in den Zustand »0« gebracht.
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Es sei nun der Zeitpunkt betrachtet, in dem der Klemme 13 eine Spannungsänderung
in positiver Richtung zugeführt wird, welche die Übertragung einer Binärziffer »1«
von dem vorgeschalteten logischen Operator her darstellt. Der dadurch hervorgerufene
zusätzliche Strom in der Diode DT 1, der in F i g. 2 mit 1e bezeichnet ist,
addiert sich zu dem Ruhestrom. Dies kommt einer Verschiebung der Lastlinie in senkrechter
Richtung bis zu der Stellung der gestrichelt gezeichneten Linie 30 gleich. Der Punkt
28 entspricht nämlich einer Stromstärke, die geringfügig unter dem Spitzenstrom
liegt. Die Diode DT1 wird somit in den Zustand »1« umgeschaltet, und der durch sie
hindurchgehende Strom würde anschließend in den Arbeitspunkt 29 zurückkehren, wenn
der Eingangsimpuls vorzeitig beendet würde.
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Der Ladestrom des Kondensators 21 fließt über die Diode DT
2. Wenn man beachtet, daß der Ruhestrom am Punkt 33 sehr viel kleiner als
der Ruhestrom am Punkt 28 für die Diode DT 1 ist, versteht man, daß der Ladestrom
des Kondensators zum Erreichen des Spitzenstroms nicht ausreicht. Wenn der Kondensator
21 vollständig aufgeladen ist, kehrt also der Arbeitspunkt in den Punkt 33 zurück,
woraus zu erkennen ist, daß der stabile Zustand der Diode DT 2
nicht bleibend
verändert wurde.
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Nach einer kurzen Zeitdauer kommt an der Klem_ne 22 ein positiver
Prüfimpuls an. Der durch den Widerstand 15 hindurchgehende zusätzliche Strom 11
wird von der Diode DT 1 leicht aufgenommen, ohne daß sich das Potential des
Punktes 13' wesentlich verändert. Andererseits geht der Strom 12 durch den Widerstand
16 und die Diode DT 2 hindurch, doch ist in F i g. 3 zu erkennen, daß dieser
Strom zum Erreichen des Spitzenstromes noch nicht ausreicht. Der Zustand der Diode
DT 2 wird also praktisch nicht verändert. Man hat somit wirklich die Funktion
der Negation erhalten, weil im Augenblick des Auftretens des Prüfimpulses nur ein
Impuls mit vernachlässigbarer Amplitude an der Ausgangsklemme 14 erscheint, deren
Spannungswert somit letzten Endes nicht verändert wird.
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Noch etwas später ergibt der an die Klemme 23 angelegte negative Löschimpuls
die Wirkung, daß die Spannung an den Klemmen der Dioden DT 1 und DT
2 auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt wird, wodurch die Diode DT
1 in den Zustand »0« zurückgebracht wird.
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Wenn dagegen der Fall betrachtet wird, daß dem Eingang 13 keine die
Binärziffer »1« darstellende Spannungsänderung vor Zuführung des Prüfimpulses zugeführt
wird, verläuft der Betrieb wie folgt: Im Augenblick der Zuführung des Prüfimpulses
an der Klemme 22 sind die beiden Dioden DT 1 und DT 2 im Zustand »0«.
Wenn angenommen wird, daß die Werte der Widerstände 15 und 16 gleich sind, werden
den Anoden der Dioden DT 1 und DT 2 im wesentlichen gleiche zusätzliche
Ströme I1 und 12 zugeführt. Da jedoch der Ruhestrom der Diode DT 1
auf einen
höheren Wert als der Ruhestrom der Diode DT 2 festgelegt ist, tritt die Folge
ein, daß die Diode DT 1 ihren Zustand vor der Diode DT 2 ändert. Der
Arbeitspunkt der Diode DT 1 versucht plötzlich von dem Scheitelwert des Spitzenstroms
zu dem Punkt 35 und von da zum Punkt 36 auf der Kurve 26 von' F i g. 2 überzugehen.
Diese plötzliche Spannungsänderung wird aber durch das Vorhandensein des Kondensators
21 verhindert, der einen vorübergehenden Ladestrom erfordert. Der resultierende
Strom Ic (F i g. 3) addiert sich zu dem zusätzlichen Strom 12, wodurch das Umkippen
der Diode DT 2 aus dem Zustand »0« in den Zustand »1« bewirkt wird. Wenn
der Prüfimpuls beendet ist, kehrt der Arbeitspunkt der Diode DT 2 in den
Punkt 34 zurück.
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Sofort nach dem Ende des Prüfimpulses kann der hohe Spannungswert
von der Ausgangsklemme 14 zu einem Eingang der folgenden logischen Schaltung, beispielsweise
derjenigen von F i g. 4 übertragen werden. Die Funktion der Negation ist wiederum
richtig durchgeführt worden, weil der hohe Spannungswert die Binärziffer » 1 « darstellt,
während der logische Operator A zuvor den Wert »0« abgegeben hat.
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Als Vorsichtsmaßnahme kann es zweckmäßig sein, einen Widerstand geeigneter
Größe in Serie mit dem Kondensator 21 zwischen den Verbindungspunkten 13' und 14'
zu schalten, damit das Umkippen der Diode DT 1 unbedingt gewährleistet ist,
ungeachtet der ungünstigen Toleranzen, welche in den Kapazitäten an den Verbindungspunkten
oder zwischen den Spitzenströmen der beiden Tunneldioden bestehen können.
Wenn
man annähernd gleichwertige Eingangsimpulse (1e, 11, 12 bzw. I c) in Betracht
zieht, ist zu erkennen, daß die Diode DT 1 so vorgespannt ist, daß sie als
Oder-Schaltung arbeitet (Umkippen bei einem Eingangsimpuls), während die Diode DT
2 so vorgespannt ist, daß sie als Und-Schaltung arbeitet (Umkippen nur bei
zwei gleichzeitigen Eingangsimpulsen).
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Es soll gezeigt werden, daß einer der Vorteile der beschriebenen Negatorschaltung
darin besteht, daß eine Vereinfachung und Verkürzung des Betriebszyklus des die
Schaltung enthaltenden Geräts ermöglicht wird.
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Es kann angenommen werden, daß ein informationsverarbeitendes Gerät
eine gewisse Anzahl von logischen Anordnungen der in F i g. 4 dargestellten Art
enthält, die im allgemeinen zur Durchführung aufeinanderfolgender logischer Funktionen
in Kaskade geschaltet sind. Man kann sich diese aufeinanderfolgenden logischen Anordnungen
in Stufen unterteilt denken, die abwechselnd einen ungeraden und einen geraden Rang
haben.
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Es sei auf F i g. 5 Bezug genommen, die für den Fall gilt, daß in
dem Gerät ein zentraler Taktgeber vorhanden ist. Die Impulszüge der Phase X werden
beispielsweise den Stufen vom ungeraden Rang und die Impulszüge der Phase Y den
Stufen vom geraden Rang zugeführt. In jeder Phase X bzw. Y werden
ein Eingangsimpulszug, ein Prüfimpulszug und ein Löschimpulszug verwendet; diese
Impulszüge werden den entsprechenden Eingängen zugeführt, wie zuvor erläutert wurde.
Es ist zu erkennen, daß eine Zykluszeit T nur in vier Impulszeiten unterteilt ist.
Die Impulse der Phase Y sind gegen die Impulse der Phase X zeitlich um einen halben
Zyklus verschoben. Es ist zu erkennen, daß ein Prüfimpuls der Phase X zur Zeit t1
zugleich mit dem Löschimpuls der Phase Y auftritt, woraus sich ein eigentlicher
Zeitgewinn ergibt. Zur Zeit t.; sind in gleicher Weise ein Löschimpuls der Phase
X und ein Prüfimpuls der Phase Y gleichzeitig vorhanden.
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Die einzige unbedingt zu beachtende Bedingung besteht darin, daß das
Zeitintervall to - t1 (ebenso wie t_,-t.3) stets größer als die maximale
Eigenverzögerungszeit jedes beliebigen logischen Operators, etwa des Operators
A oder des Operators B von F i g. 4 ist.
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Die Anwendung der zuvor beschriebenen Negatoranordnung ist nicht auf
ein Gerät beschränkt, in dem ein zentraler Taktgeber oder ein einziger Synchronisationsgenerator
vorhanden ist. Die Negationsschaltung kann auch in ein sogenanntes arhythmisches
Gerät eingefügt werden, in dem ein örtlicher Steuerimpulsgenerator (bzw. Prüfimpulsgenerator)
jeweils einer oder mehreren logischen Stufen zugeordnet ist.
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In vorstehender Beschreibung wurde angenommen, daß die dem Eingang
1.3 zugeführte Information » 1 « durch einen positiven Spannungswert dargestellt
ist, der bis zur Zuführung des folgenden Prüfimpulses aufrechterhalten wird; es
ist aber offensichtlich, daß der Betrieb in keiner Weise gestört wird, wenn ein
Eingangsimpuls vor Zuführung des folgenden Prüfimpulses beendet wird. Dies ist die
Folge der Speicherfunktion, welche die Diode DT 1 erfüllt. wenn sie ihren
Stromführungszustand geändert hat.