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Schaltung zur Erzeugung synchroner Signale bei synchronen logischen
Systemen Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung von mit
einer Taktimpulsfolge synchronen Ausgangsimpulsen gegebener Form in Abhängigkeit
vom Zeitspannungsintegral des Eingangssignals während der Steuerhalbperiode eines
Taktes der Taktimpulsfolge bei unstetig arbeitenden, synchronen logischen Systemen.
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In Anlagen zur Steuerung von industriellen Verfahren, des Verkehrs,
aber auch in elektronischen Rechenanlagen, werden oftmals sogenannte »unstetig arbeitende
synchrone logische Elemente«, die .ihrerseits »unstetig arbeitende synchrone logische
Systeme« bilden, verwendet. Solche Systeme können nur solche Eingangssignale einwandfrei
verarbeiten, die mit der Taktfrequenz der Anlage, die durch einen Taktimpulsgeneratorerzeugt
wird, synchron sind.
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Handelsübliche Systeme dieser Art sind am Schluß der Beschreibung
aufgeführt.
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Die Steuerungs- oder Rechensysteme gebrauchen meistens magnetische
Kreise oder mit Halbleiterelementen kombinierte magnetische Kreise. Die logischen
Elemente können »Und-Glieder«, »Oder-Glieder«, »Negator-Glieder«, od. ä. sein. Diese
Elemente haben ein zweiwertiges Ausgangssignal »0« oder »1«, wobei, an-der Ausgangsklemme
bei Ausgang »0« die Spannung annähernd 0 ist, und bei Ausgang »I« eine pulsierende
Wechselspannung, z. B. in Form einer einweggleichgerichteten Sinusspannung, die
für alle Elemente, eventuell für alle Gruppen von Elementen, synchron ist, anliegt.
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Als Taktimpulsgenerator wird oftmals das elektrische Netz verwandelt.
Jede Periode der Netzspannung bestimmt dann einen Arbeitstakt des Systems, wobei
in der einen Halbperiode, der sogenannten »Steuerhalbperiode«, Eingangssignale gespeichert
werden können, und in der anschließenden »Arbeitshalbperiode« unverzerrte, uniforme
Impulse synchron mit der Taktfrequenz der Anlage freigegeben werden können.
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Eingangssignale, die willkürlich und unabhängig vom Takt der Anlage
einlaufen, werden in bezug auf den Takt der Anlage als »asynchrone Eingangssignale«
bezeichnet. Solche »asynchronen Eingangssignale«, die z. B. von Tastern, Abnehmern,
Endschaltern usw. herrühren, können von verschiedenster Art sein. Sie können etwa
als einzelne Impulse, Impulsreihen oder Wechselspannungsimpulse auftreten; es kann
aber auch der Pegel einer im Vergleich zur Taktfrequenz langsam veränderlichen Spannung
u. ä. ein solches asynchrones Eingangssignal sein.
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Eine unmittelbare Steuerung der »synchron arbeitenden logischen Systeme«
durch »asynchrone Eingangssignale« ist nicht ,möglich, da durch die auftretende
Verzerrung die richtige Funktion vieler logischer Kreise, z. B. geschlossener (kreisförmiger)
Register, Zähler u. ä., stark beeinträchtigt würde.
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Gegenstand der Erfindung ist es nun, eine Schaltung zu schaffen, mittels
derer auch »asynchrone Signalquellen«, d. h. Quellen, die von der Taktfrequenz unabhängige,
willkürlich auftretende Signale abgeben, an »synchron arbeitende logische Systeme«
angeschlossen werden können.
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Erfindungsgemäß wird das durch die nachstehend beschriebene Schaltung
erreicht.
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Diese Schaltung kann grundsätzlich überall dort angewendet werden,
wo eine »Ja«- oder »Nein«-Information gespeichert werden muß, die später zu einem
wählbaren Zeitpunkt als Impuls vorgegebener einheitlicher Form freigegeben werden
kann. Für das Ansprechen der Schaltung, die also bezüglich der Taktfrequenz »asynchron«
auftretende Signale in uniforme Impulse, die »synchron« mit der Taktfrequenz auftreten
oder unterdrückt werden, umwandelt, können verschiedene Eigenschaften des Eingangssignals
benutzt werden. Die erfindungsgemäße Schaltung spricht auf einen gewissen eingestellten
Wert des Zeitspannungsintegrals des Eingangssignals während des Zeitintervalls der
Steuerhalbperiode an.
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Die Schaltung besteht aus einem Magnetkern mit rechteckiger Hystereseschleife,
der eine »Steuerwicklung« mit einer »Arbeitswicklung« und einer damit in Reihe geschalteten
»Transformationswicklung« koppelt. Die Arbeitswicklung liegt in Serie mit einer
Impedanz und einer Diode, an den zwei Eingängen
für den Taktimpulsfolgegenerator,
an denen weiterhin, also parallel zur vorerwähnten Serienschaltung, eine Lastimpedanz,
eine Ausgangsdiode und ein Schaltelement mit nichtlinearer Strom-Spannungs-Charakteristik
liegt. Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Schaltelements ist eindeutig bezüglich
des Stroms als unabhängige Variable und weist in einem Strombereich negativen Widerstand
(fallenden Kurvenverlauf) auf. Das freie Ende der Transformationswicklung ist über
einen Begrenzungswiderstand mit dem Knotenpunkt zwischen der Ausgangsdiode und dem
Schaltelement verbunden.
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Die durch diese Schaltung erreichte Wirkung, also die Lösung der erfindungsgemäßen
Aufgabe, wird nachstehend beispielsweise an Hand eines Impulsplans erläutert. Die
weiteren, nachstehend beschriebenen Zeichnungen geben Erläuterungen zum Schaltelement
und zeigen Ausführungsbeispiele. Im einzelnen.zeigt F i g. 1 die Strom-Spannungs-Charakteristik
des nichtlinearen Schaltelements, F i g. 2 das .Schaltzeichen eines Ausführungsbeispiels
des Schaltelements, F i g. 3 bis 5 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schaltung,,
F i g. 6 den die erfindungsgemäße Schaltung erläuternden Impulsplan.
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- Die in F i g. 1 dargestellte Charakteristik des nichtlinearen Schaltelements
zeigt, wie das Element im Anfangsbereich einen großen Widerstand aufweist, welcher
nach Erreichen des kritischen Durchbruchswertes der Spannung negativ wird (fallender-Kurvenverlauf),
um dann in einen Bereich mit kleinem, po= sitivem Wert überzugehen.
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Ein typisches Beispiel dieses Elements ist eine Vierschichtdiode vom
Typ pnpn, deshalb ist in den F i g. 3; 4 und 5 zur Bezeichnung des Schaltelements
das Schaltzeichen dieser Diode nach F i g. 2 benutzt: Eine der möglichen Schaltungen
gemäß der Erfindung, die z. B. für ein System von in zwei Takten arbeitenden, magnetischen,
logischen Elementen geeignet ist, ist in F i g. 3 dargestellt.
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Auf den Ringkern 1 mit rechteckiger Hystereseschleife befinden sich
drei Wicklungen: Steuerwicklung 2, Arbeitswicklung 3 und Transformationswicklung
4. Die Taktgeberspannung für den Arbeitskreis wird in die Klemmen 5 und 6 eingespeist.
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In der Arbeitähalbperiöde, in der an der Klemme 5 Eine positive Spannung
liegt, wird der Kern 1 durch den Strom, der durch die Arbeitswicklung 3 fließt,
aufmagnetisiert.
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In der zweiten, der Steueiihalbperiode, wird der Kern 1 durch den
Steuerstrom, der über die Eingangsdiode 7 und die Steuerwicklung 2 fließt, entmagnetisiert.
Die Eingangssignalquelle ist an die Klemmen 8 und 9 angeschaltet, und zwar entweder
direkt oder eventuell über bekannte logische Diodenschaltungen zur logischen Verknüpfung
einiger Eingangssignale.
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Die Arbeitswicklung 3 ist so ausgelegt, daß die vollständige Ummagnetisierung
des Kernes 1 in einem Bruchteil der Arbeitshalbperiode erfolgt. In Serie mit der
Arbeitswicklung 3 liegen die Diode 10 und die Impedanz 11, an der die gesamte Speisespannung
nach erreichter Sättigung des Kernes 1 abfällt.DieAusgangsklemme12 der erfindungsgemäßen
Schaltung ist mit der Klemme 5 der Speisespannungs= quelle über die Dibde 13 und
das Schaltelement 14 (mit der Charakteristik gemäß F.ig.1) verbunden. Die Durchbruchsspannung
(Schaltspannung US) des Schaltelements 14 muß höher sein als der maximal mögliche
Momentanwert der Speisespannung an Klemme 5.
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Die Transformationswicklung 4 ist so ausgelegt, daß während der Ummagnetisierung
des Kernes 1 der Spitzenwert der Spannung im Punkt 15 höher ist als die Durchbruchsspannung
des Schaltelements 14. Die Spannung im Punkt 15 wird :dem Schaltelement 14
über einen geeigneten Koppelwiderstand 16 zugeführt.
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In F i g. 4 .ist eine andere Schaltungsvariante der gegenständlichen
Erfindung mit ähnlichen Eigenschaften dargestellt. Jedoch wird hier durch Umkehrung
der Reihenfolge von Ausgangsdiode 13 und Schaltelement 14 auch die Polarität der
durch die Transfoxmationswicklung 4 gelieferten Spannung umgekehrt, so daß sich
diese mit der an den Klemmen 5 und 6 eingespeisten. Taktspannung U5,8 in
derselben Polarität addiert. Am Schaltelement 14 liegt nun die Spannurig U1.5,5.
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In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Schaltung dargestellt, die es ermöglicht, an die Eingangsklemmen 8 und 9 als Signalquelle
sowohl ein aktives wie auch passives Schaltelement anzuschließen. Zwischen der Diode
10 und Arbeitswicklung 3 ist der Widerstand 17 angeschaltet. Zwischen Klemme 18
und 6 ist eine Hilfs-)-Spannungsquelle angeschlossen, deren Momentanspannung (mit
dem Minus-Pol an der Klemme 18) größer als die Momentanwerte der Speisespannung
(zwischen Klemmen 5 und 6) in der Steuerhalbperiode sein muß. Der Strom, der durch
den Widerstand 17 fließt, hält. die Diode 10 im leitenden Zustand und ermöglicht
dadurch die Entmagnetisierung des Kernes 1, wenn der Widerstand oder die Spannung
am Eingang des Elements größer als der kritische Wert ist. Während in den Schaltungen
nach F i g. 3 und 4 die Energie zur Integration der Eingangsspannung U8 9 durch
den Kern 1 vom Eingangssignal selbst geliefert wird, gibt es, besonders in Anlagen
der industriellen Automatik, eine große Anzahl von Gebern, die nicht als Energiequellen
dienen können (parametrische Geber, wie Kontakte, Widerstände, Thermistoren, Photowiderstände
u. dgl.). In solchen Fällen ist die Schaltung nach F i g. 5 anwendbar. Ihre Wirkung
unterscheidet sich von jener der Schaltungen nach F i g. 3 und 4 .nur dadurch, daß
zwischen den Punkten 6 (plus) und 18 (minus) während der Steuerhalbperiode eine
Hilfsspannung solcher Größe angelegt ist, daß bei unterbrochenem Eingangskreis zwischen
den Klemmen 8, 9 (oder bei genügend großem Widerstand zwischen den Klemmen 8, 9
- Signal »Ja« - »1«) der magnetische Fluß im Kern 1 um einen genügenden Wert geändert
wird, so daß während der nachfolgenden Arbeitshalbperiode die in der Transformationswicklung
4 induzierte Spannung die Schaltspannung US des Schaltelements 14 erreicht. Bei
kurzgeschlossenen oder durch einen kleinen Widerstand verbundenen) Klemmen 8, 9
kann während der Steuerhalbperiode keine genügende Änderung des magnetischen Flusses
hervorgerufen werden, da der Magnetisierungsstrom, der durch die Differenz des im
Eingangskreis induzierten Stromes und des durch den Widerstand 17 begrenzten Stromes
der Arbeitswicklung 3 gegeben ist, dazu nicht -ausreichend ist. -
Die
Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltung für den Fall, daß eine Impedanz 11
ein ohmscher Widerstand ist, kann allgemein wie folgt beschrieben werden: Falls
in der Schaltung gemäß F i g. 3, 4 und 5 in der Steuerhalbperiode an der Eingangsklemme
8 eine genügend große positive Spannung gegen Klemme 9 ist oder wenn in der Schaltung
nach F i g. 5 zwischen den Eingangsklemmen ein genügend großer Widerstand, der größer
als der kristische ist, eingeschaltet ist (Eingangssignal »1«), wird der Kern 1
in einer Periode von positiver auf negative Sättigung, und umgekehrt, ummagnetisiert.
Am Anfang der Arbeitspositiver) Halbwelle der Speisespannung entsteht im Punkt 15
der Spannungsimpuls, der das Schaltelement 14 öffnet; dadurch beginnt der Strom
von Klemme 5 über die Diode 13 und über das Schaltelement 14 in die Ausgangslast
19 zu fließen. Dieser Strom hält das Schaltelement 14 auch nach Beendigung
des Spannungsimpulses im Punkt 15 im geöffneten Zustand. An der Ausgangslast entsteht
eine positive Arbeitshalbwelle der Speisespannung, von der ein kleiner Anfangsteil,
der bis zum Moment des Durchbruches des Schaltelements 14 reicht, abgeschnitten
ist.
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Falls im Laufe der Steuerhalbperiode (der negativen Halbwelle der
Speisepannung) die Eingangsklemmen 8 und 9 kurzgeschlossen oder über einen genügend
kleinen Widerstand verbunden sind oder wenn. die Spannung der Signalquelle, die
an die Klemmen angeschlossen ist, kleiner als der kritische Wert ist (Eingangssignal
»0«), wird der Kern 1 nur teilweise oder überhaupt nicht entmagnetisiert, da in
der Schaltung nach F i g. 3 und 4 die Diode 10 nichtleitend ist, und in der Schaltung
nach F i g. 5 wird der Strom durch den Widerstand 17 in den Steuerkreis übertragen,
so daß die Diode 10 auch nichtleitend wird. In der folgenden positiven Halbwelle
der Speisespannung überschreitet der Spannungsimpuls im Punkt 15 den Wert der Durchbruchsspannung
des Schaltelements 14 nicht. Dieses Element öffnet nicht, und an der Ausgangsklemme
12 erscheint keine Spannung (Ausgangssignal »0«).
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Durch geeignete Wahl der Impedanz 11, z. B. durch eine Kombination
eines passenden Widerstandes und eines Kondensators, kann man erreichen, daß man
die Phase des Magnetisierungsstromes in der Arbeitswicklung 3 so schieben kann,
daß die induzierte Spannung im Punkt 15 den maximalen Wert gerade am Anfang
der Arbeitshalbperiode erreicht. Das Schaltelement 14 öffnet sich dann schon am
Anfang dieser Halbperiode, und an der Ausgangsklemme 12 kommt die ganze Arbeitshalbwelle
der Speisespannung ohne Verzerrung :hervor.
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Ebenso arbeitet die erfindungsgemäße Schaltung bei umgekehrter Polarität
der Eingangs- und Ausgangssignale, falls die Polarität der Speisespannung an den
Klemmen 5 und 6 und an der Klemme 18 verändert wird und falls die Polarität der
Dioden 7, 10 und 13 und die Polarität des Schaltelements 14 umgekehrt wird.
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Zur beispielsweisen Erläuterung der Erfindung dient schließlich noch
F i g. 6,. die einen Impulsplan für eine Schaltung nach F i g. 3 zeigt. In Kurvenverlauf
I ist die Spannung der Taktquelle an den Klemmen 5 und 6 (U5,6) angedeutet.
Beispielsweise wird als Taktquelle die Netzspannung verwendet. In Kurve II sind
einige Beispiele des Eingangssignals U8,9 dargestellt. Kurve III zeigt den Verlauf
des magnetischen Flusses im Kern 1, Kurve IV den Spannungsverlauf, der an der Transformationswicklung
4 entsteht und zusammen mit der Taktspannung U5,6 zwischen den Punkten 6 und 15
der Schaltung bzw. am Schaltelement 14 liegt. US ist die Schaltspannung des Schaltelements
14. Kurve V schließlich veranschaulicht den Verlauf der Ausgangsspannung U12,6 an
der Lastimpedanz 19 zwischen den Punkten 6 und 12.
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Der Takt entspricht z. B. der Netzfrequenz 50 Hz. Positive Halbperioden
sind »Arbeitshalbperioden«, negative sind »Steuerhalbperioden«, in welchen die Schaltung
auf das Zeit-Spannungs-Integral des Eingangssignals U8,9 (gestrichelte Flächen)
ansprechen kann. Die Teile des Eingangssignals während der positiven »Arbeitshalbperioden«
gehen also verloren, sind wirkungslos. Bei der Taktfrequenz von 50 Hz ist dies jedoch
ohne Bedeutung. Die Änderung des magnetischen Flusses #» des Kernes 1 ist proportional
der gestrichelten Fläche des Eingangssignals U8,9. Die zur Änderung des magnetischen
Flusses 0 nötige Energie wird durch das Eingangssignal geliefert. Der magnetische
Fluß 0 kann sich nur während der Dauer des Eingangssignals ändern und kann den Wert
der negativen Sättigung - 0",t nicht überschreiten. Der Wert der Taktspannung
U5,8, die Windungszahl der Arbeitswicklung 3 und die Impedanz 11 sind so bemessen,
daß während der ersten 30° =(n/6) der Arbeitshalbperiode im Kern 1 der magnetische
Fluß 0 auf den Wert der positiven Sättigung -I- 0",t zurückgebracht wird. Diode
7 sperrt den Eingang 8, 9 gegen die Wirkung der induzierten Spannung, welche so
groß ist, daß die am Eingang eventuell liegende Signalspannung U8,9 die Diode 7
nicht öffnen kann. Infolge der Änderungen des magnetischen Flusses werden in der
Transformationswicklung 4 Spannungsimpulse U15,6 induziert, welche dem Schaltelement
14 zugeführt werden. In dem Augenblick, in dem die Schaltspannung US des Schaltelements
14 erreicht wird, wird dieses Element 14 leitend und läßt eine positive Halbwelle
der Taktspannung U5,6 durch, welche als ein Ausgangsimpuls U12,6 mit immer gleicher
Amplitude und ohne bedeutende Verzerrung in der Form zur Speisung der nachfolgenden
»synchronen logischen Elemente« dienen kann, ohne Gefahr, daß Störungen im Betrieb
der Anlage vorkommen könnten. Beispiele für »unstetig arbeitende synchrone logische
Steuerungssysteme«: CYPAK« der Firma Westinghouse, »Bi - stat« der Firma Lockheed,
»802« der Firma Elliot, System der Firma Di/An Control, Inc., Boston, »UNISTAT«
der Firma English-Electric und »Logimag« der Socidt6 61ectronique d'automatisme.
Beispiel einer »synchronen Rechenmaschine«: »Ferractor« der Firma Remington-Rand.