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Schaltungsanordnung zur Unisetzung von Amplitudenwerten in einen Binärcode
Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zur Umsetzung von Amplitudenwerten
in einen n-stelligen Binäreode unter Verwendung von 211 Amplitudendiskriminatoren,
z. B. Kippwiderständen.
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Bei solchen Schaltungsanordnungen sind die Kippwerte der Kippwiderstände
derart unterschiedlich bemessen, daß der jeden KippwIderstand durchfließende, einem
umzusetzenden Amplitudenwert entsprechendeStrom eine seinemStufenwert entsprechende
Anzahl von Kippwiderständen vom Ruhezustand in den Arbeitszustand umsteuert. Die
Umsteuerung kann z. B. von einem Zustand niedrigen Widerstandes in einen Zustand
hohen Widerstandes oder umgekehrt erfolgen. EssindnVergleichervorgesehen,alsoebensoviele
wie der Binärcode Stellen hat, welche die Binärstellen 20, 21 ... 2"-1 bis
2n-1 (v = 1, 2 ... n) mit Hilfe eines Vergleichs
zwischen den ihren beiden Eingängen zugeführten Vergleichsgrößen bilden, die aus
den Spannungen der Kippwiderstände hergeleitet sind.
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Insbesondere ist es bekannt, zwei zueinanderparallele Reihenschaltungen
von Tunneldioden vorzusehen, die von einem dem umzusetzenden Amplitudenwert entsprechenden
Strom durchflossen werden. Die an den beiden Reihen bzw. an bestimmten Abschnitten
derselben abfallenden Spannungen werden durch die in geeigneter Weise angeschalteten
Vergleicher zur Bildung der Stellen des Binäreodes ausgewertet. Die Vergleicher
sind Differenzverstärker mit zwei Eingängen. Liegt an dem einen Eingang eine größere
Spannung als an dem anderen, so führt das zueiner binären Eins. Sind die Spannungen
an den beiden Eingängen gleich, so entspricht das einer binären Null.
Ob im Falle einer binären Eins der eine oder der andere Eingang des Differenzverstärkers
die größere Spannung bekommt, hängt von dem zufällig zu codierenden Amplitudenwert
ab.
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Die Kippwerte der als Kippwiderstände verwendeten Tunneldioden werden
durch Vorströme eingestellt, die den beiden Reihen stufenweise eingeprägt werden.
Wegen des einmal großen, einmal kleinen Kippwertes der aufeinanderfolgenden Tunneldioden
der Reihe ergibt es sich dabei zwangläufig, daß nicht nur positive, sondern auch
negative Ströme zugeführt werden müssen. Dadurch kann es zur Bildung der Differenz
zweier großer, sieh voneinander nur wenig unterscheidender Ströme kommen. Diese
Möglichkeit nimmt mit wachsender Stellenzahl des Codes zu und zwingt dann zur Einhaltung
unerwünscht strenger Anforderungen bezüglich der Konstanz der Stromquellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der genannten Art mit 2n Kippwiderständen zur Umsetzung von Amplitudenwerten in
einen n-stelligen Binärcode zu schaffen und dabei die erwähnten Schwierigkeiten
bei der Zuführung der Vorströme zu vermeiden. Gleichzeitig soll vermieden werden,
daß bei der Bildung einer binären Eins die höhere Spannung einmal an dem einen,
ein andermal an dem anderen Eingang des betreffenden Vergleichers erscheint, was
unter Umständen einen relativ komplizierten Aufbau der Vergleicher bedingt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem ersten der
beiden Eingänge des Vergleichers, der zur Bildung einer allgemein mit 2"-1 bezeichneten
Binärstelle vorgesehen ist, eine Vergleichsgröße zugeführt wird, die der Summe der
Spannungen der bei den Kippwerten 2-1 + (Ic - 1) 21 (Ic
= 1, 2, 3... 2n - v)
kippenden Kippwiderstände proportional
ist, und daß dem zweiten Eingang dieses Vergleichers eine Vergleichsgröße zugeführt
wird, die der Summe der Spannungen aller 291, Kippwiderstände abzüglich der mit
Kippwerten 21-1 + (Ic - 1) 2ß (Ic = 1, 2,3 ... 2n
- p)
mit,a = 1, 2 ... v proportional ist.
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Mit relativ geringem Aufwand wird die Erfindung ausgeführt, indem
(ii + 1) parallele Reihenschaltungen von Kippwiderständen vorgesehen
werden und zur Bildung der allgemein mit 2-1 bezeichneten Binärstelle dem ersten
Eingang des zugehörigen Vergleichers die Spannung an der w-ten Reihe und seinem
zweiten Eingang
die Summe der Spannungen an den Reihen (v
+ 1) bis (n + 1) zugeführt wird.
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Die Kippwerte der Kippwiderstände werden am besten durch jeder Reihe
stufenweise zugeführte Vorströme eingestellt und die Kippwiderstände innerhalb jeder
Reihe so geordnet, daß die Kippwerte und damit die Vorströme monoton ansteigen.
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Zweckmäßig wird jedem Vergleicher ein Spannungsaddierer zugeordnet,
der die Spannungen an den Reihen (P + 1) bis (n + 1) addiert
und dem zweiten Eingang des Vergleichers zuführt.
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Besondere praktische Vorteile und günstige Hochfrequenzeigenschaften
der Schaltung ergeben sich, wenn man die Kippwiderstände einzeln und gleichsinnig
gegen einen gemeinsamen Punkt schaltet und den Kippwert für jeden Kippwiderstand
durch einen Vorstrom geeigneter Größe individuell einstellt. Zweckmäßig liegt der
allen Kippwiderständen gemeinsame Punkt an Erde.
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Die Spannungen an jedem Kippwiderstand werden Additionsmitteln zugeführt,
die den Vergleichereingängen zugeordnet sind und die in diese Vergleichereingänge
einzuspeisenden Vergleichsgrößen bilden.
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Besonders einfach und vorteilhaft ist es, wenn die Additionsmittel
von einem Widerstandsnetzwerk gebildet werden.
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Sehr geeignet als Kippwiderstände sind Tunneldioden. Ihr jeweiliger
Kippwert resultiert aus dem Maximumstromwert der Kennlinie und dem der betreffenden
Tunneldiode eingeprägten Vorstrom.
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Im folgenden soll die Erfindung an Hand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. In der.Zeichnung bedeutet F i
g. 1 das Schaltbild einer bekannten Schaltungsanordnung zur binären Codierung
von Amplitudenwerten, F i g. 2 das Schaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung, Fi g. 3 eine graphische Analog-Digital-Übersetzungstabelle
für einen vierstelligen Binärcode, F i g. 4 das zu der Ausführungsform nach
F i g. 2 gehörende Vorstromschema, F i g. 5 das Schaltbild einer anderen
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, F i g# 6 eine Tunreldiodenanordnung
im Rahmen der Ausführungsform nach F i g. 5.
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In F i g. 1 ist eine bekannte Schaltungsanordnung zur binären
Codierung von Amplitudenwerten dargestellt. In dem dargestellten Beispiel werden
sechzehn verschiedene Amplitudenstufen unterschieden. Dementsprechend sind sechzehn
Kippwiderstände, in diesem Falle Tunneldioden, und vier Vergleicher vorgesehen.
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Die Tunneldioden sind in zwei parallel zueinander geschalteten Reihen
angeordnet, und die Eingangsspannungen der Vergleicher sind an bestimmten Punkten
der beiden Reihen abgegriffen. Der in der Figur neben jeder Tunneldiode eingetragene
Kippwert entspricht jener Amplitudenstufe des vom Eingang her der Reihe aufgeprägten
Analogstroms, bei deren Überschreitun- die betreffende Tunneldiode von ihrem Zustand
niedrigen Widerstandes auf ihren Zustand hohen Widerstandes springt. Die Sprungwerte
werden durch Vorströme eingestellt, die jeder Reihe stufenweise vor jeder Tunneldiode
zugeführt werden. Wie das geschieht, ist in F i g. 1 ebenfalls angedeutet.
Es sind die verschiedenen Stromquellen dargestellt sowie die Stromwerte eingetragen,
die sie in die zugehörige Tunneldiodenreihe jeweils einspeisen.
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In der linken Reihe erhält z. B. die oberste Tunneldiode den Strom
3 von der Stromquelle 3. Durch die nächste Diode muß der Vorstrom
5 fließen. Er entsteht durch den sowieso schon durch die Reibe fließenden
Strom 3 und einen weiteren Strom, der durch die Stromquelle 2 geliefert wird,
usw. Eine für den Vorstrom kritische Stelle ist der Punkt A. Hier entsteht
der Vorstrom 2 aus dem bis dahin durch die Reihe fließenden Strom 15 minus
einem Strom der Stromquelle 13. Er wird also aus der Differenz zweier relativ
großer Ströme gebildet.
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Wesentlich schwierigere Vorstrombedingungen entstehen bei Codierern
höherer Stufenzahl. Bei vierundsechzig Amplitudenstufen müssen unter anderem folgende
Differenzen gebildet werden:
| 63 - 61 = 2 |
| 61 - 55 = 6 |
| 60 - 52 = 8 |
| 58 - 54 = 4 |
Es hat sich gezeigt, daß man bei höheren Stufenzahlen größere Schwierigkeiten mit
der Konstanz der Vorstromquellen hat als beispielsweise mit den Forderungen, die
durch die hohe Codiergeschwindigkeit gestellt werden.
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Gegenüber der bekannten Schaltungsanordnung nach F i g. 1 weist
die Erfindung ein erheblich einfacheres Vorstromschema auf, in welchem Differenzbildungen
und die damit verbundenen Schwierigkeiten vermieden sind.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der F i
g. 2 schematisch dargestellt. Dabei ist wieder der Fall angenommen, daß sehzehn
Amplitudenstufen (n = 4) zu unterscheiden sind. Entsprechend sind erfindungsgemäß
(n + 1) = 5 Tunneldiodenreihen vorgesehen, die je von
einem dem zu codierenden Amplitudenwert proportionalen Strom durchflossen werden,
der den Reihen über die Widerstände R, aufgeprägt wird. Die Zahlen neben den Dioden
deuten an, bei welchen Amplitudenstufen sie von einem Zustand geringen Widerstandes
bzw. geringer Spannung auf einen Zustand hohen Widerstandes bzw. hoher Spannung
springen.
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Aus der F i g. 2 ist das Schema zu entnehmen, nach dem die
Vergleicher zur Bildung der Binärstellen 211, 21, 22 und 23 erfindungsgemäß an die
Tunneldiodenreihen angeschlossen sind. Die linken, mit den Buchstaben a, e, e und
bezeichneten Eingänge der Vergleicher erhalten jeweils die Spannung der Reihe mit
der Ordnungszahl 1, wenn es sich um den Vergleicher zur Bildung der Binärstelle
211 handelt, der Reihe mit der Ordnungszahl 2, wenn es sich um den Vergleicher zur
Bildung der Binärstelle 21 handelt, und allgemein der Reihe mit der Ordnungszahl
r, wenn es sich um den Vergleicher zur Bildung der Binärstelle 2v-1 handelt.
Die rechten Eingänge der Vergleicher, die mit den Buchstaben b, d, f
und h bezeichnet sind, erhalten allgemein ausgedrückt - die Summe der Spannungen
an den Reihen (v + 1) bis (ii + 1), wenn es sich um den Vergleicher
zur Bildung der Binärstelle 2"-1 handelt. Die Spannungssumme für diese Eingänge
wird durch geeignete Spannungsaddierer A" A, und A, gebildet,
die die betreffenden Spannungen linear addieren.
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Die erste Tunneldiodenreihe der Schaltungsanordnung nach F i
g. 2 enthält die Tunneldioden mit
den Kippwerten
1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 und 15, die zweite die Tunneldioden mit den
Kippwerten 2, 6, 10 und 14 usw. Allgemein enthält die Reihe mit der Ordnungszahlr
(v = 1, 2, 3, bis n) die Tunneldioden mit den Sprungwerten:
21-1 + (k - 1) 211 k = 1, 2,3 ... 21x -
v
Die (n + 1)-te Reihe, in diesem Fall also die fünfte, enthält
jeweils nur eine Tunneldiode, die stets bei dem höchsten vorkommenden Sprun,-wert
springt (in diesem Beispiel bei dem Sprungwert sechzehn).
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Die Sprungwerte der Tunneldioden werden (in F i g. 2 nicht
dargestellt) wiederum durch Vorströme eingestellt, wobei erfindungsgemäß ein vorteilhaftes
Vorstromschema zur Anwendung kommt, auf das weiter unten näher eingegangen wird.
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Die F i 1-. 3 zeigt eine Übersetzungstabelle, nach der die
analogen Amplitudenwerte in den gewünschten gewöhnlichen Binäreode umgesetzt werden.
Die Zahlen an der Analogwertachse geben an, welcher Analogwert (Stufenwert) überschritten
sein muß, damit von der Schaltungsanordnung die nebenstehend abzulesende binäre
Codierung dieses Analogwertes ausgegeben wird. Jedem der Analogwerte, die längs
der Analogwertachse aufgetragen sind, entspricht ein Sprungwert der in der Schaltungsanordnung
vorgesehenen Tunneldioden.
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Als Beispiel sei die Codierung des Analogwertes 6
ins Auge gefaßt.
Zu diesem Analogwert 6 gehört nach der Übersetzungstabelle F i
g. 3 die binäre Zahl 0110. Ein Vergleich mit F i g. 2 zeigt,
daß der Codierer tatsächlich diese Binärzahl ausgibt, sobald die untere Grenze des
Amplitudenwertbereichs 6 überschritten worden ist. Gesprungen sind nämlich
die Tunneldioden mit den Sprungwerten 1, 3, 5 in der ersten Reihe, 2 und
6 in der zweiten Reihe sowie 4 in der dritten Reihe. Damit erhält der Vergleicher
zur Bildung der Binärstelle 211 beiderseits drei Sprungspannungen von Tunneldioden,
so daß eine binäre Null entsteht. Der Vergleicber zur Bildung der Binärstelle 21
erhält auf der linken Seite zwei Sprungspannungen, nämlich die der Dioden mit den
Sprungwerten 2 und 6, auf der rechten Seite aber lediglich eine Sprungspannung
von der Tunneldiode mit dem Sprungwert 4. Damit ergibt sich für die Binärstelle
21 eine binäre Eins. Auf die gleiche Weise lassen sich die Stellenwerte der übrigen
Binärstellen leicht nachprüfen.
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Es ist festzustellen, daß - wenn die Spannungen an den Vergleichereingängen
nicht gleich sind -
jeweils der linke Eingang in dem gewünschten Sinne die
größere Spannung erhält, niemals der rechte.
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In F i g* 2 ist nicht dargestellt, wie die Sprungwerte der Tunneldioden
durch Vorströme eingestellt werden. Dies geht indessen aus F i g. 4 hervor.
Danach sind in jeder Reihe die Tunneldioden in der Reihenfolge monoton ansteigender
Sprungwerte geordnet. Entsprechend sind die der Reihe vor jeder einzelnen Tunneldiode
zugeführten Ströme alle positiv und bis auf den ersten alle gleich. Mit den bereits
eingeführten Bezeichnungen kann man allgemein formulieren, daß der erste der Reihe
mit der Ordnungszahl v zugeführte Strom den Amplitudenwert 2P-1 besitzt, während
alle übrigen dieser Reihe zugeführten StrEme den Amplitudenwert 2v aufweisen. Diese
Formel gilt für v # 1, 2, 3 usw. bis n entsprechend der bereits eingeführten
Definition von v, und in diesem Falle auch für p = n
+ 1. Bei dieser Formulierung ist ebenso wie bei der Darstellung
in F i 4 unterstellt, daß die Tunneldioden von Haus aus (also ohne Vorstrom) ihren
Sprungwert bei dem Stromwert Null hätten. Dies ist natürlich nicht der Fall, kann
aber durch einen Kompen sationsstrom leicht realisiert werden, den man den Tunneldiodenreihen
im Vorhinein einspeist. Man kann auch den ersten der Reihe zugeführten Strom entsprechend
reduzieren.
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F i g. 5 zeigt das Schaltbild einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung. In diesem Beispiel ist angenommen, daß nur vier verschiedene Ainplitudenwerte
unterschieden werden müssen, was die Darstellung vereinfacht. Entsprechend sind
auch nur vier Tunneldioden vorgesehen. Diese sind im Gegensatz zu der Ausführungsform
nach F i g. 2 alle einzeln gegen einen gemeinsamen Punkt geschaltet. Dieser
liegt an Masse. Die Zahlen neben den Tunneldioden bedeuten wieder deren Sprungwerte.
Die Einstellung dieser Sprungwerte erfolgt durch Vorströme, die an den Punkten P
individuell zugeführt werden.
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Ein dem umzusetzenden Amplitudenwert proportionaler Strom wird allen
Tunneldioden einzeln über einen Widerstand R, aufgeprägt.
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Nach demselben Gesetz, das auch bei der Ausführungsform nach F i
g. 2 angewandt worden war, werden auch bei dieser Ausführungsform die Spannungen
der bei den verschiedenen Sprungwerten springenden Tunneldioden zusammengefaßt und
addiert. Während diese Addition bei der Ausführungsform nach F i g. 2 teilweise
wenigstens noch durch die Reihenschaltung von Tunneldioden bewirkt wird, wird hier
die Spannung jeder einzelnen Diode getrennt an den betreffenden Vergleichereingang
geführt. Dies geschieht zweckmäßig durch das gezeigte Widerstandsnetzwerk mit den
Widerständen R.
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Die Ausführungsforin nach F i g. 5 hat zusätzlich zu den Vorteilen,
die bereits die Ausführungsform nach F i g. 2 aufweist, noch einige wesentliche
weitere Vorzüge, Diese bestehen zunächst in einem besonders günstigen Hochfrequenzverhalten
der Schaltung, das sich daraus ergibt, daß jede Tunneldiode einzeln einseitig
an Masse liegt. Ferner ist es als sehr vorteilhaft anzusehen, daß die Kippwerte
der einzelnen Tunneldioden voneinander unabhängig eingestellt werden können. Wenn
also ein Vorstrom geändert oder korrigiert werden muß, so betrifft dies lediglich
die eine Diode, um die es sich Pandelt, die anderen Tunneldioden bleiben von dieser
Maßnahme unberührt.
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Ein weiterer Vorzug der Schaltungsanordnung nach F i g. 5
besteht darin, daß sie für jedes Codierelement eine Ausgestaltung nach der in F
i g. 6 dargestellten Art erlaubt. Diese Ausgestaltung gestattet es, den zu
codierenden Analogwert nur sehr kurzzeitig einwirken zu lassen, das Ergebnis dieser
Codierungjedoch für einen längeren Zeitraum, der etwa für die folgenden Rechenprozesse
benötigt wird, festzuhalten. Dieses Festhalten oder Speichern geschieht in der zweiten
jeweils vorgesehenen Tunneldiode Tu', die in gleicher Weise wie die Tunneldiode
Tu einseitig an Masse liegt. Die Tunneldiode Tu ist nach wie vor das eigentliche
Codierelement und entspricht einer der in F i g. 5 dargestellten Tunneldioden.
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In F i g. 6 wird der codierenden Tunneldiode Tu der dem umzusetzerden
Amplitudenwert entsprechende Strom wiederum über einen Widerstand Ro aufgeprägt,
und z. B. üter den Widerstand Rv wird durch die Spannungsquelle B der zur Einstellung
des Sprungwertes notwendige Vorstrom zugeführt. Der aufgeprägte
Analogstrom
und der zugeführte Vorstrom vereinigen sich an dem PunktM der Schaltung, an den
gleichzeitig der nicht an Masse liegende Pol der TunneldiodeTzi angeschaltet ist.
Der PunktM ist über einen Kopplungswiderstand RK mit einem Punkt N der Schaltung
verbunden, an dem der nicht mit Masse verbundene Pol der Speicher-Tunneldiode
Tu' liegt. Diesem Punkt N wird über einen Widerstand RH ein Haltestrom
für die Tunneldiode Tu'zugeführt, der so lange andauert, wie man das Ergebnis der
Codierung zu speichern wünscht. Von dem Punkt N gehen jene Widerstände R
ab, die in gleicher Weise wie in F i g. 5 an die Eingänge der Vergleicher
angeschlossen sind.
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Der Haltestrom, der der Tunneldiode Tu' zugeführt wird, ist so dimensioniert,
daß er diese Tunneldiode allein nicht zum Springen bringt, daß er sie aber in dem
gesprungenen Zustand hält, sofern sie einmal zum Springen veranlaßt wurde. Letzteres
geschieht durch die Spannung an der Tunneldiode Tu, wenn diese Tunneldiode
durch den aufgepräggten Analogstrom über ihren Sprungwert hinausgesteuert worden
ist.
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Eine nur sehr kurze Einwirkungszeit des Analogstromes auf die Tunneldiode
Tu, wie sie durch die Schaltung nach F i 6 ermöglicht wird, dient der Eindeutigkeit
der Codierung, indem durch sie vermieden werden kann, daß sich der angebotene Analogwert
während des Codiervorganges um mehr als einen Stufenwert ändert. Die kurze Einwirkungszeit
kann dadurch realisiert werden, daß der Analogwert am Eingang der Schaltungsanordnung
entweder von vornherein nur für eine kurze Zeitspanne angeboten wird, z. B. in Form
kurzer PAM-Impulse, oder dadurch, daß zwar der Analogwert am Eingang kontinuierlich
ansteht, die Tunneldiode Tu jedoch nur für eine sehr kurze Zeit für den Codiervorgang
freigegeben wird. Diese Freigabe kann durch einen zusätzlichen impulsförmigen Strom
gesteuert werden, der der Tunneldiode Tu über den Punkt M der Schaltung aufzuprägen
wäre.
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Wenn in der vorstehenden Figurenbeschreibung lediglich Tunneldioden
als Kippwiderstände angenommen wurden, so heißt das nicht, daß nicht auch andere
Bauteile als Kippwiderstände unter gewissen Bedingungen vorteilhaft sein können.
Dabei ist in erster Linie an ma,-netisierbare Kerne mit rechteckiger Hystereseschleife
zu denken, die geeignet zu
bewickeln bzw. zu ergänzen und sinngemäß in die
Schaltungsanordnung einzubeziehen sind.