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Binärzähler mit gleichstromgekoppelten Einzelstufen In der elektronischen
Datenverarbeitung ist es bekannt, Zähler aus mehreren bistabilen Kippstufen bzw.
Binäruntersetzern aufzubauen.
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Ein Binäruntersetzer besteht aus einer Set-Reset-Kippstufe als Hauptspeicher
und aus einem Triggerzusatz. In der konventionellen Halbleitertechnik ist es üblich,
die Set-Reset-Kippstufe im wesentlichen aus zwei Transistoren aufzubauen, während
der Triggerzusatz im allgemeinen nur aus passiven Bauelementen besteht. Wichtig
ist dabei, daß die erforderliche dynamische Wirkung am Eingang mit Hilfe von Kondensatoren
erreicht wird.
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Bei Mikroschaltkreisen werden Bausteine, wie z. B. bistabile Kippstufen,
nicht mehr aus einzelnen Komponenten zusammengesetzt. Vielmehr entsteht der Baustein
mit seinen aktiven und passiven Elementen komplett auf einem winzigen Kristall.
Dabei verzichtet man weitgehend auf Kapazitäten, da diese in der Mikrotechnik nur
schwer zu realisieren sind. Man kommt dann zu Schaltungen, bei denen es nur Gleichstromkopplungen
gibt und bei denen der dynamisch wirkende Triggerzusatz durch einen gleichstrommäßig
arbeitenden Untersetzerkreis zu ersetzen ist.
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Jeder Binäruntersetzer hat normalerweise zwei zueinander komplementäre
Ausgänge, einen Triggereingang und je einen Setz- und Löscheingang zur beliebigen
Voreinstellung. Dies gilt sowohl für Binäruntersetzer mit dynamisch wirkendem Triggerzusatz
als auch für solche mit gleichstrommäßig arbeitendem Untersetzerkreis.
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Es ist schon bekannt, aus solchen Binäruntersetzern solche Zähler
aufzubauen, die nur durch Verbindung der Binäruntersetzerausgänge mit den Triggereingängen,
gegebenenfalls unter Zwischenschaltung logischer Gatter, entstehen. Die Anzahl der
logischen Gatter kann hierbei beträchtlich sein.
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Weiterhin sind Zähler bekannt, die, um auf die gewünschte Zählkapazität
zu kommen, die erste nicht mehr in der Zählfolge gewünschte Zählerstellung mit Hilfe
eines Gatters dekodieren und mit dem Ausgangssignal dieses Gatters die Binäruntersetzer
über die Setz- und Löscheingänge wieder in die Anfangsstellung zurücksetzen. Die
diesen Eingängen zugeführten Signale sind zwangsläufig impulsförmig, wobei sich
die Impulslänge aus internen Laufzeitunterschieden ergibt. Dieses Verfahren ist
allerdings nur beschränkt anwendbar und außerdem mit dem Nachteil verbunden, daß
bei jedem Zählerdurchlauf kurzzeitig eine unerwünschte Zählerstellung eingenommen
wird.
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Ferner sind polystabile Kippstufen bekannt, die zu Zählern erweitert
sind und manchmal mit zu den Ringzählern gerechnet werden. In der konventionellen
Technik besteht ein mod-n-Zähler aus n aktiven Elementen und entsprechenden passiven
Bauelementen. In der Gleichstromtechnik benötigt ein mod-n-Zähler dann mindestens
3n logische Gatter. Solche Zähler sind, insbesondere in der Gleichstromtechnik,
für n > 3 sehr aufwendig. Außerdem ist für jeden Zähler-Modul eine von Grund
auf eigene Verbindungsführung erforderlich, was die Realisierung in der Mikrotechnik
erschwert.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf einen Binärzähler mit gekoppelten
Einzelstufen, dessen aus einem Hauptspeicher und einem Untersetzkreis bestehende
Einzelstufen durch miteinander gleichstromverkoppelte NOR- bzw. NAND-Gatter gebildet
sind, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hauptspeicher zwei zusätzliche
Eingänge hat, von denen jeder einzelne direkt oder über logische Gatter mit den
Ausgängen der übrigen Einzelstufen verbindbar ist, so daß den zusätzlichen Eingängen
über die auf diese Weise zwischen den Einzelstufen entstandenen Koppelwege gerade
die in Abhängigkeit vom gewünschten Zählmodul und vom gewünschten Code notwendigen,
über eine oder mehrere Taktzeiten andauernden festen Potentiale zugeführt werden.
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Die nach der Erfindung zusätzlich vorgesehenen Eingänge des Hauptspeichers
jeder Einzelstufe sind in ihrer Wirkungsweise verschieden von den bekannten Setz-
und Löscheingängen. Die zusätzlichen Eingänge werden erfindungsgemäß je nach
gewünschtem Zähl-Modul und Code direkt oder über logische Gatter mit bestimmten
Ausgängen anderer Einzelstufen verbunden, um dadurch Koppelwege zur Unterdrückung
überflüssiger Zählerstellungen zu erhalten. Im Gegensatz zu dem obenerwähnten bekannten
Verfahren der Benutzung von Setz- und Löscheingängen treten die zur Unterdrückung
überflüssiger Zählerstellungen
notwendigen Signale an den zusätzlichen
Eingängen in Form von statisch über eine oder mehrere Taktzeiten hinweg fest anliegenden
Potentialen auf.
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Die Erfindung gestattet es, Zähler mit jeder gewünschten Zählkapazität
sehr einfach aufzubauen, da zusätzliche Gatter ganz entfallen oder deren Anzahl
auf ein Minimum beschränkt ist. Man vermeidet kurzzeitig auftretende unerwünschte
Zählerstellungen. Außerdem lassen sich die gewünschten Zählmoduln immer mit Hilfe
der stets gleichen Einzelstufen aufbauen.
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Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele dar. Es zeigt F i
g. 1 eine Einzelstufe in Transistorschaltung, F i g. 2 und
3 Einzelstufen mit NOR-Gattern, F i g. 4 a und 4 b Schaltzeichensymbole,
F i g. 5 a bis 5 c Zählerschaltungen mit bekannten Einzelstufen, F
i g. 6 eine Zählerschaltung mit Einzelstufen nach der Erfindung, F i
g. 7 ein Impulsdiagramni, F i g. 8 bis 10 weitere Ausführungsbeispiele
von Zählerschaltungen nach der Erfindung.
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F i g. 1 zeigt eine Ausführung des an sich bekannten, in Gleichstromtechnik
realisierten Binäruntersetzers. Der obere Teil enthält als Hauptspeicher eine Set-Reset-Kippstufe
FF, während der untere Teil den nur gleichstrommäßige Verbindungen enthaltenden
Untersetzerkreis darstellt. Mit T ist der Untersetzereingang und mit Q, Q,
sind die entsprechenden Ausgänge bezeichnet. Die Kippstufe FF hat zusätzlich noch
gemäß der Erfindung die Eingänge E, und Eg. Ersichtlich ist, daß die vorgegebene
Schaltung aus vielen untereinander fast gleichen Teilschaltungen besteht. So kann
man in der F i g. 1 sechs fast gleiche Grund--schaltungen imt den Transistoren
Tr, bis Tr6 wiederfinden. Jede von ihnen bildet eine NOR-Funktion #(bzw.
bei umgekehrter Signalzuordnung eine NAND-Funktion). Man stellt daher den Binäruntersetzer
-übersichtlicher gemäß F i g. 1 lediglich durch eine Kombination seiner sechs
NOR-Schaltungen N, bis N,
dar. Das ist auch insofern günstig,
als es nämlich zum -Aufbau dieses Binäruntersetzers lediglich darauf ankommt, sechs
NOR-Schaltungen nach F i g. 2 zu ,verbinden. Es ist dabei gleichgültig, ob
die einzelne NOR-Schaltung nach der Art der F i g. 1 oder auf -völlig andere
Weise hergestellt wird. Es sind ferner -neben den Ausgängen Q, Q2
noch Ausgänge A, bis A,
für jede Einzelstufe vorgesehen.
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Weiterhin muß der Untersetzerkreis U nicht unbedingt nach F
i g. 2 mit vier NOR-Schaltungen N, bis N,
realisiert
werden. F i g. 3 zeigt einen solchen Kreis, der aus sieben NOR-Gattern
N, bis N" besteht, so daß der komplette Binäruntersetzer im ganzen
neun NOR-Schaltungen umfaßt. Trotz des größeren Aufwandes kann unter Umständen eine
9-Gatter-Kippstufe nach F i g. 3 günstiger sein, da sie z. B. höhere Arbeitsgeschwindigkeit
erlaubt als die 6-Gatter-Kipp-.stufe. Aus logischer Sicht sind jedoch die Untersetzerkreise
U nach F i g. 2 und 3 in den Wirkungen an ihren Anschlüssen
Dl, D, G, G, T völlig gleich.
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Wenn man beachtet, daß in der Technik der Mikroschaltkreise
je ein kompletter Binäruntersetzer (also Set-Reset-Kippstufe FF plus Untersetzerkreis
U) auf ,einem gemeinsamen Kristall hergestellt wird, so ist es günstiger,
dies auch in der Schaltzeichensymbolik zum Ausdruck zu bringen. Da es ein genormtes
Symbol für Binäruntersetzer F in Gleichstromlogik noch nicht gibt, soll hier eine
Darstellung nach F i g. 4 a gewählt werden, in der durch den waagerechten
Strich noch die beiden Bestandteile des Binäruntersetzers, nämlich die Set-Reset-Kippstufe
FF und der Untersetzerkreis U angedeutet wefden. Das Symbol .nach F i
g. 4b soll einen Binäruntersetzer K mit den zusätzlichen Ein- und Ausgängen
darstellen, wie er der Schaltung nach F i g. 2 entspricht.
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Die Gatter N, N, N" N" N, und
N, nach F i g. 2 gehorchen alle dem gleichen Gesetz, nach dem bei
einem NOR-Gatter mit z. B. drei Eingängen acht Eingangkombinationen möglich sind.
Für beliebige Anzahl von NOR-Gatter-Eingängen gilt: Nur wenn an allen Eingängen
gleichzeitig das Potential'0' vorliegt, erscheint am Ausgang das Potential '1';
wenn an einem oder mehreren Eingängen das Potential'l' vorliegt, erscheint am Ausgang
das Potential '0'.
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Begonnen wird zu einem Zeitpunkt t,', d. h., der Binäruntersetzer
befinde sich im Zustand "0" (N.5 auf '0', N, auf '1'). Der
Eingang T liege auf '0'. Dadurch ergeben sich zwangläufig an Nl, N, N3
die Potentiale '0' und an N, das Potential '1'.
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Wenn jetzt am Eingang T von '0' auf 'l' umgeschaltet wird (auf t,'
folgender Zeitraum t,"), muß N,
auf '0' gehen, und in dessen Folge
springt N2 auf '1'. Trotz interner Schaltvorgänge im Untersetzerteil U
schaltet
die Set-Reset-Kippstufe FF nicht um. Der Binäruntersetzer verharrt im Zustand
"0".
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Nunmehr möge am Eingang T wieder die '0' erscheinen (auf t,)" folgender
Zeitraum t,'). Damit erhalten alle drei Eingänge des Gatters N, das Potential'O'.
Am Ausgang von N, erscheint also '1', wodurch wiederum N, auf '0'
geschaltet wird. Dadurch hegen die Eingänge von N, alle auf '0', und
der Ausgang Q, zeigt jetzt die 'l' an. Schließlich schaltet dadurch
noch N, wieder auf '0'.
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Der Binäruntersetzer hat jetzt völlig umgeschaltet und zeigt den Zustand
"l" an. In ähnlicher Weise gelangt dann der Binäruntersetzer in den Zustand
"0"
zurück.
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Der wesentliche Unterschied zwischen konventioneller Technik und Gleichstromtechnik
wird hierdurch besonders deutlich. In der konventionellen Technik wird nur die positive
oder nur die negative Flanke zum Schalten benutzt, wobei es gleichgültig ist, wie
der Spannungsverlauf zwischen den Flanken aussieht (z. B. ob als flacher Sägezahn
oder als Nadel usw.). In der Gleichstromtechnik dagegen wird der statische Zustand
ausgewertet, der immer eine Mindestzeit lang vorhanden sein muß. Infolgedessen
sind alle Impulse stets rechteckförmig. Ein Merkmal der Gleichstromsteuerung ist
es daher, daß sich Umschaltungen sowohl am Anfang als auch am Ende eines Rechteckimpulses
ergeben.
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Auch hier muß nochmals darauf hingewiesen werden, daß man die ganze
Erklärung lediglich unter Vertauschung der Bezeichnungen "0" und "i" bzw.
'0' und 'l' auch mit Hilfe von NAND-Gattern durchführen kann.
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Die Beispiele nach F i g. 5 a (mod-10-Zähler, unsymmetrischer
2-4-2-1-Code), F i g. 5b (mod-10-Dual-Code) und F i g. 5c (mod-11-Zähler)
zeigen, wie man üblicherweise mit solchen Binäruntersetzem F verschiedene Zähler
aufbauen kann, wenn man die aus der konventionellen Technik gewohnten Wege nachvollzieht.
So führen stets die zur Ausscheidung der
entsprechenden Pseudotetraden
notwendigen zusätzlichen Kopplungswege auf die Eingänge T, ... T4 zurück,
also auf diejenigen Eingänge (T2 und T4), die in der Gleichstromtechnik den Ersatz
für die Triggereingänge der konventionellen Technik darstellen.
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Man erkennt sofort, daß in der Gleichstromlogik mehr zusätzliche Gatter
P in den Rückkopplungswegen hegen als bei der konventionellen Technik. Die Funktionen
dieser Gatter P, ... PI3 sind aus den Schaltungsbeispielen ohne weiteres
ersichtlich und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
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Nach der Erfindung werden nun die Rückkoppluligswege anstatt auf die
üblichen EingängeT nunmehr auf die Hauptspeichereingänge EI und
E, dergestalt geführt, daß an ihnen dadurch über eine oder mehrere Zähltaktzeiten
hinweg ein festes Potential'l' liegen kann.
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Der in F i g. 6 gezeigte mod-10-Zähler arbeitet im gleichen
Code wie der Zähler nach F i g. 5 a, kommt jedoch ohne jegliche zusätzliche
Gatter aus. Das zugehörige Impulsdiagramm (F i g. 7) läßt erkennen, daß die
Binäruntersetzer K, und K3 an beiden Ausgängen Q, und Q2 während des
Zeitraumes t, das logische Potential '0' zeigen (gestrichelt ist angedeutet, daß
während der Zeit t, die Ausgänge Q,
eigentlich das Potential'l' annehmen müßten).
Die Rückkopplung auf die Eingänge E" EI' bewirkt also, daß die betroffenen
Kippstufen zeitweilig einen undefinierten Zustand einnehmen und damit ihre spezifische
Eigenschaft verlieren, an den Ausgängen Q, und Q2 immer zueinander
komplementäre Signale zu führen. Dieses Verhalten soll im folgenden kurz als »entartete
bezeichnet werden.
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Schreibt man die zehn Tetraden dieses Zählers auf, so sind die Entartungen
als Fragezeichen angedeutet:
| KI K2 KB K4 |
| 1 0 0-0-1 |
| 2 0-0-1-0- |
| 3 0 0-1-1 - |
| 4 0-1 -0-0- |
| 5 0 1-0-1- |
| 6 0-1-1-0- |
| 7 0 1 - 1 - 1 - |
| 8 1 - ? ? 0 |
| 9 1 -1 1 1 |
Durch Punkte ist angegeben, welche Kippzustände man braucht, um die Zählerstellung
eindeutig zu erkennen. Man sieht, daß die Erkennbarkeit durch die undefinierten
Zustände nicht leidet, da gerade diese gar nicht benötigt werden.
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Es lassen sich durch Auswahl der entsprechenden Kopplungen ohne Schwierigkeiten
mod-9-, mod-10-, mod-12-, mod-13- und mod-14-Zähler aufbauen, die alle ohne zusätzliche
Gatter auskommen. Zähler, die nur bis acht oder weniger zählen können, kann man
bereits mit nur drei Binäruntersetzern aufbauen.
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Die F i g. 8 gibt an, wie man mit nur einem zusätzlichen Gatter
den mod-11-Zähler realisieren kann, der gegenüber dem Zähler nach F i
g. 5 c beträchtlich einfacher geworden ist.
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Weiterhin ist es möglich, die Rückkopplung auf Hauptspeichereingänge
und die übliche Rückkopplung auf die Untersetzereingänge kombiniert anzuwenden.
Gegenüber der konventionellen Technik bietet die Gleichstromtechnik auch noch die
Möglichkeit, außer von den Ausgängen Q, und Q, eines Binäruntersetzers
auch noch Signale von jedem beliebigen der beteiligten NOR-Gatter zu beziehen und
zur Steuerung an den verschiedenen Eingängen zu verwenden.
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An den Ausgängen A, bis A, entstehen ganz andere Signale
als an den Ausgängen QI und Q,. Mit diesen andersartigen Signalen,
in Verbindung mit den üblichen Signalen an Q, und
Q" ergibt sich nun eine große Vielfalt von Schaltungsmöglichkeiten, um den
jeweils gewünschten Zähler zu realisieren.
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Als ein Beispiel ist in F i g. 9 ein mod-11-Zähler dargestellt,
der den A,-Ausgang des Binäruntersetzers K" benutzt und dadurch gegenüber dem sonst
völlig gleichen Zähler nach F i g. 8 gänzlich ohne zusätzliches Gatter auskommt.
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Ein weiteres Biespiel in F i g. 10 bringt den mod-10-Zähler
im Dual-Code, bei dem der A,-Ausgang des Binäruntersetzers K, zur Steuerung des
Eingangs T2 der nachfolgenden Einzelstufe K, benutzt wird. Auch hier sind wieder
»entartete« Zustände vorhanden. Dieser Zähler ist gegenüber dem Dualzähler nach
F i g. 5b erheblich einfacher in seinem Aufbau.