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Die Erfindung betrifft einen Zähler mit Haupt- und Hilfsspeicher und
einer Steuerung, bei der der Hauptspeicher und der Hilfsspeicher abwechselnd ihren
Stand mittels Gattern ändern, die jeweils eineEingangsklemme für Zählimpulse und
eine Eingangsklemme für Hilfsimpulse haben.
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Binärzähler sind bekannt aus »Proceedings of the I. R. E.«, Vol. 41,
Nr. 10, Oktober 1953, S. 1429 bis 1437, und »Synthesis of Electronic Computing and
Control Circuits« (The Annals of the Computation Laboratory of Harvard University
Press 1951, Bd. XXVII), Chapter VIII, insbesondere S.101, F i g. 8.14. Sie 'bestehen
aus einer Kette einstufiger Binäruntersetzer, von denen jeder notwendigerweise aus
zwei Flip-Flops besteht, die die Funktion eines Hauptspeichers und eines Hilfsspeichers
haben.
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Bei Verwendung von Zähl- und Hilfsimpulsen wird erreicht, daß der
Stand; in dem sich der Hilfsspeicher befindet, bestimmt, in welchem Zustand (durch
eine Zähloperation) nach dem erstfolgenden Zählimpuls der Hauptspeicher sein wird.
Der von dem Zählimpuls verursachte Stand des Hauptspeichers bestimmt, welchen Stand
der Hilfsspeicher haben wird, nachdem der erstfolgende Hilfsimpuls aufgetreten ist.
Störimpulse, die gleichzeitig mit einem Zählimpuls oder einem Hilfsimpuls auftreten,
haben keinen Effekt, es sei denn, daß die Störimpulse ebenso lange oder länger dauern
als die Zähl- oder Hilfsimpulse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mindestens unter Beibehaltung
der obengenannten Vorteile der bekannten Binärzähler einen Zähler anzugeben, der
aus einer verhältnismäßig geringen Anzahl von Hilfsspeicherelementen- bestehen kann,
womit der Zähler einfacher, billiger, betriebssicherer und schneller wird, was sich
bei Zählern mit größerer Zählkapazität besonders vorteilhaft auswirkt.
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Der Zähler nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Anzahl der Speicherelemente des Hilfsspeichers geringer als die Anzahl der Speicherelemente
des mehrstufigen Zähl- bzw. Hauptspeichers ist und die Anzahl der möglichen Kombinationen
der Hilfsspeicherelemente mindestens der Anzahl der unterschiedlichen Zähloperationen
entspricht, wobei für jede eine oder mehrere Speicherelemente des Hauptspeichers
in einen neuen Stand bringende Zähloperation ein UND-Gatter vorgesehen ist, dessen
einer Eingang mit der Eingangsklemme ,für die Zählimpulse und dessen andere Eingänge
jeweils mit den entsprechenden Ausgängen des Hilfsspeichers verbunden sind und die
entsprechenden Eingänge der Hilfsspeicher über eine Gruppe von weiteren UND-Gattern
mit den entsprechenden Ausgängen der Hauptspeicherstufen verbunden sind.
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Ein zusätzlich wichtiger Vorteil des Zählers nach der Erfindung liegt
darin, daß die Speicherelemente des mehrstufigen Zähl- bzw. Hauptspeichers jetzt
untereinander keine Verbindungen mehr haben, so daß Störungen auf Zwischenleitungen
des Hauptspeichers, wie bei bekannten aus Einzelstufen bestehenden Binärzählern,
hier keinen Einfluß haben können. Dazu kommt noch, daß in der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung keine Übertragimpulse zwischen den Zählstufen auftreten, sondern
daß die Wirkungsweise derart ist, daß Standänderungen parallel durchgeführt werden.
Damit sind größere Zählgeschwindigkeiten möglich. Der Einschränkung des Umfanges
und der Wirkungsweise des Hilfsspeichers liegt die Einsicht zugrunde, daß bei unterschiedlichen
binären Zählkodes die Änderung des Standes eines oder mehrerer Speicherelemente
(Flip-Flops) bei ganz verschiedenen Ständen des zählenden Speichers eine Zuzählung
um eine Zähleinheit zustande bringt.
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Bei dem Zählsystem nach Zweierpotenzen bringt der Übergang des Standes
des niedrigstwertigen Speicherelementes von 0 nach 1 den Übergang einer geraden
Zahl auf eine ungerade Zahl, die eine Einheit höher ist, zustande. In einer Zählschaltung
mit acht Ständen kommt dieser Übergang viermal vor, so daß für die Zählungen von
gerade nach ungerade nur eine Zähloperation notwendig ist und der Hilfsspeicher
für alle diese Zählungen nur einen Stand braucht. Insgesamt sind bei dieser Zähloperationsdefinition
bei einem Dreistufenzähler nur vier Stände des Hilfsspeichers notwendig.
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Bei einer Zählschaltung mit 2p Ständen, die nach Zweierpotenzen zählt,
sind nur p -f- 1 Zähloperationen notwendig und braucht der Hilfsspeicher also nur
p -+- 1 Stände einnehmen zu können.
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Zur Erläuterung des Obenerwähnten wird nunmehr der Fall eines Dreistufenzählers
etwas eingehender dargelegt, welcher dem, Zählsystem nach Zweierpotenzen folgt.
Die Stände dieses Zählers sind: 000 .- 001 010 011 100 . 101 110 111 000 Am Übergang
aus dem Stand 000 in den Stand 001, numerisch ausgedrückt also von 0 zu 1, ist nur
die am weitesten nach rechts gelegene Zählerstufe beteiligt; dies ist auch der Fall
bei den Übergängen von 2 zu 3, von 4 zu 5 und von 6 zu 7. Am Übergang von 1 zu 2
sind zwei Zählerstufen beteiligt; die gleiche Änderung erfolgt beim Übergang von
5 zu 6. Am Übergang von 3 zu 4 sind die drei Zählerstufen beteiligt. Dies ist auch
beim Übergang aus dem Stand 7 zum Ausgangsstand der Fall. Insgesamt sind also für
den Durchgang durch alle Stände vier verschiedene Operationen erforderlich.
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Bei Erweiterung des Zählers um eine Stufe tritt nur eine einzige Operation
hinzu, was man sich am einfachsten dadurch klarmachen kann, daß man alle möglichen
Stände des Dreistufenzählers zweimal hintereinander aufschreibt und vor die erste
Reihe eine Null und vor die zweite Reihe eine Eins setzt. Dasselbe gilt wieder bei
Erweiterung der Anzahl Zählerstufen von 4 auf 5 und allgemein bei Erweiterung von
p Stufen auf p -+-1. Die Zähloperationen auf dem zählenden Speicher werden durch
die Stände des Hilfsspeichers und der Zählimpulse-Kgesteuert. Die Hilfsoperationen
auf dem Hilfsspeicher werden durch die Stände des Zählers und einen Impuls gesteuert,
der nach dem K-Impuls beginnt und vor dem nächsten K-Impuls endet. Im vorliegenden
Fall wird ein aus dem Zählimpuls abgeleiteter Impuls K' für den genannten Zweck
verwendet.
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Der Hilfsspeicher wird während des Intervalls zwischen dem Ende eines
K-Impulses und dem Beginn des nächsten K -Impulses der zu zählenden Angabe in den
zu der nächsten Zähloperation gehörenden Stand versetzt.
Der Stand
des zählenden Speichers bestimmt, in welchen Stand der Hilfsspeicher zu versetzen
ist und umgekehrt. Dadurch, daß das Stattfinden einer Zähloperation auf dem zählenden
Speicher von der Bedingung abhängig gemacht wird, daß ein Zählimpuls (K Impuls)
auftritt, und dadurch, daß das Auftreten einer Hilfsoperation auf dem Hilfsspeicher
an die Bedingung geknüpft wird, daß der K'-Impuls auftritt, bleiben sowohl der Zählerstand
bei einer Operation auf dem Hilfsspeicher als auch der Stand des Hilfsspeichers
bei einer Operation auf dem zählenden Speicher unverändert.
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Tabelle I gibt die Kodierung für einen Dreistufenzähler gemäß der
Erfindung wieder.
| Tabelle I |
| Bedingungen Operation Erhaltener Stand |
| T2 T1 TO |
| Hl HO |
| K' x x 0 DHO 0 0 |
| K' x 0 1 DHl x 1 |
| K' 0 1 1 DH2 1 x |
| K' 1 1 1 DH3 1 - 1 |
| Hl HO T2 T1 TO |
| K 0 0 DTO x x 1 |
| K 0 1 DTl x 1 0 |
| K 1 0 DT2 1 0 0 |
| K 1 1 DT3 0 0 0 |
Auf der linken Seite der Tabelle findet man die Bedingungen, die die Wahl der Handlung
festlegen, in der Mitte die Kodebezeichnungen der zugehörigen Operationen und rechts
die durch die Signale entstandenen Speicherstände.
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In der oberen Hälfte der Tabelle sind die Operationen für die Hilfsspeicher,
in der unteren die für den zählenden Speicher verzeichnet.
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Die zu zählende Angabe wird als K bezeichnet und der Hilfsimpuls als
K'. Die Zählerstufen werden mit T und einer Ziffer bezeichnet, die Hilfsstufen mit
einem H und einer Ziffer. Die Stände der einzelnen Speicherelemente werden als 0
oder 1 bezeichnet.
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Ein x in den Bedingungsspalten bedeutet, daß das bezügliche Speicherelement
keinen Einfiuß auf die Bedingung ausübt. Das Element kann eine 0 oder 1 enthalten.
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Ein x in den Ständespalten bedeutet, daß das bezügliche Speicherelement
seinen Inhalt der gewählten Operation zufolge nicht ändert. Hierbei soll bedacht
werden, daß die Bedingung xx0 nach jedem zweiten Zählimpuls wiederkehrt, so daß
jeder Operation DHl, DH2 oder DH3 eine Operation DHO vorangeht.
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Nach jedem zweiten IC-Impuls nimmt der Hilfsspeicher den Stand 00
ein.
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An Hand der Tabelle läßt sich die Wirkungsweise des Zählers verfolgen.
Oben links findet man die möglichen Stände des zählenden Speichers in der Weise,
daß man an Stelle der x eine 0 oder eine 1 setzt. Die Zeile K' xx0 kann bedeuten
K 000, K' 110 und K 010. In allen diesen vier Fällen erfolgt der Übergang
zum nächsten Stand des zählenden Speichers durch eine Zähloperation, welche aus
der rechten Null eine Eins macht.
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Dem Auftreten des vorgehenden IC-Impulses zufolge wird nämlich der
Hilfsspeicher in den Stand gebracht, der bei Auftreten des K-Impulses die erforderliche
Zähloperation steuert. Für diesen Stand -wurde hier so gewählt. Tritt dann der K
-Impuls auf; so wirdder zählende Speicher in den Stand xx1 versetzt, wie. aus der
unteren Hälfte der Tabelle ersichtlich ist. Die Zeile K' x01 steht für K'001 oder
K'101. In beiden Fällen muß der Endstand x10 erreicht werden.
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Der Hilfsspeicher wird, wenn der zählende Speicher im Stand 001 oder
101 steht, in den Stand 01 versetzt. Beim Auftreten des K-Impulses wird dann der
zäh Lende Speicher in den nächsten Stand 010 bzw. 110 gebracht.
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Beim Zählerstand 011 wird der Hilfsspeicher in den Stand 10 und beim
darauffolgenden K-Impuls der Zähler in den Stand 100 gebracht. Beim Zählerstand
111 wird der Hilfsspeicher beim Auftreten des K'-Impulses in den Stand 11 gebracht.
Beim Auftreten des K-Impulses kommt der Zählerstand 000 zustande. Bei einem vollständigen
Zählzyklus durchläuft der Hilfsspeicher nacheinander die Stände 00, 01, 00, 10,
00, 01, 00,11.
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Es dürfte klar sein, daß diese Kodewahl für den Hilfsspeicher eine
Möglichkeit unter mehreren ist und daß somit auch andere Wahlmöglichkeiten bestehen.:
Durch eine vernünftige Zähl-Kodewahl kann man die Anzahl der Elemente, die für das
Einlesen des Hilfsspeichers erforderlich ist, einschränken. Man beachte hierbei,
daß es erforderlich ist, daß der Hilfsspeicher aus jedem Stand in den in der Tabelle
als ersten Stand verzeichneten Stand gebracht werden kann. Dabei sind also alle
Stufen anzutreiben, während für die anderen Stände nur die Stufen angetrieben zu
werden brauchen, welche einen vom Ausgangsstand ab-. weichenden Stand einnehmen.
In der Tabelle sind die Stufen, deren Stand sich nicht ändert, mit einem x be-_
zeichnet.
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Es ist nicht erforderlich, daß der Zähler bis an die Grenze seiner
Kapazität (23) weiterzählt, bevor der Nullstand wieder erreicht wird. Man kann den
Zähler auch aus einem niedrigeren Stande in den Nullstandübergehen lassen. In der
Tabelle findet man vor DH3 den Zählerstand 111 auskodiert. Dies -ist die Zahl 7
und stellt den höchsten Zählerstand dar. Wenn hierfür eine andere Zahl auskodiert
wird, so wird der höchste Stand des Zählers durch diese Zahl ersetzt. So wird Ersatz
der Bedingung für DH3 durch 100 (die Zahl 4) bewirken, daß der Zähler modulo 5 zählt.
Dabei muß außerdem die Bedingung DHO durch 0x0 ersetzt werden.
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Die Figur zeigt eine der in Tabelle I angegebenen Kodierung entsprechende
Schaltung, also eine gemäß der Erfindung ausgeführte Schaltung.
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Die Schaltung ist aus universalen logischen Elementen aufgebaut, welche
aus einem invertierenden Transistorverstärker, der eine »NICHT«-Schaltung bildet,
und einer Dioden-Eingangsschaltung, die eine »tTND«-Schaltung bildet, für Eingangssignale
negativer Polarität bestehen. Der Ausgang einer derartigen Schalteinheit ist dann
und nur dann positiv, wenn alle an den Eingangsdioden angeschlossenen Signale negativ
sind. Wenn ein oder mehrere Eingangssignale positiv sind, dann ist der Ausgang negativ,
so daß hiermit auch die logische »ODER«-Funktion für Eingangssignale positiver Polarität
realisiert ist.
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Die Dioden sind durch Pfeilspitzen, die Transistoren durch Punkte
angegeben. Der Basis eines Transistors ist die vertikale Linie durch den Punkt,
der Kollektor ist an der horizontalen Linie angeschlossen gedacht: Zwei Transistoren
auf ein und derselben horizontalen Linie sind mit einem gemeinsamen Kollektorwiderstand
bestückt.
Die Kollektor- und Basiswiderstände, ebenso wie die (an Erde liegenden) Emitterelektroden
sind zur Vereinfachung der Zeichnung weggelassen. Die zu einem Verstärker gehörenden
Diodeneingänge findet man auf der vertikalen Linie durch den Punkt dieses Verstärkers,
angegeben mittels Pfeilspitzen. Die horizontale Linie in der schematischen Darstellung
stellt Signale dar. Eine Pfeilspitze auf einer horizontalen Linie gibt an, daß das
mittels der horizontalen Linie dargestellte Signal auf einen Diodeneingang des bei
der horizontalen Linie durch die Pfeilspitzen gehörenden Verstärkers angeschlossen
ist. Die Anzahl der Elemente; die für die Schaltung verwendet wird, d. h. die Anzahl
der Verstärker und Dioden ist gleich der Anzahl der Punkte bzw. Pfeilspitzen im
Schaltbild. Die Speicherelemente (Flip-Flops) des zählenden Speichers enthalten
die Transistoren To, Ti'; TI, Tl' und T2, T2 , die des Hilfsspeichers die
Transistoren Ho, H,' und H, Hl'.
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Die Einspeicherverstärker des zählenden Speichers sind DTo, DTl, DTa,
DT3, die des Hilfsspeichers sind DHo, DHl, DHQ, DH3.
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Die Ausgänge der Ein speicherverstärker DTl, DTE und DTs des zählenden
Speichers sind angeschlossen an die Eingänge der Transistoren To und T,', bzw To,
T1, Ti` bzw. T1, T1 und TZ.
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Die Ausgänge von DTo und To sind in dieser als Beispiel. gewählten
Schaltung parallel geschaltet, weil damit ohne Gefahr die logische »ODER«-Funktion
realisierbar ist. Die Ausgänge Ho und von DHl sind ebenso wie H,, und die von DHz
parallel geschaltet.
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Die Ausgänge der beiden anderen Einspeicherverstärker DHo und DH3
des Hilfsspeichers sind an die Eingänge der Transistoren Ho und Hl bzw. Ho' und
Hl' angeschlossen.
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Die Signalleitungen der Zählimpulse K und der Hilfsimpulse K' sind
an alle Einspeicherverstärker des zählenden Speichers bzw. des Hilfsspeichers angeschlossen.
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Die Einspeicherverstärker DT des zählenden Speichers T werden durch
die Ausgangssignale der Flip-Flops des Hilfsspeichers H in Kombination (»UND«-Funktion)
mit dem Zählimpuls und die Einspeicherverstärker DH des Hilfsspeichers durch die
Ausgangssignale der Flip-Flops des zählenden Speichers T in Kombination (»UND«-Funktion)
mit dem Hilfsimpuls angesteuert.
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Die Kombinationen sind derart gewählt, daß bei jedem Stand des Hilfsspeichers
H nur einer der Einspeicherverstärker für den zählenden Speicher T zur Durchführung
der Zähloperation benutzt wird.
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Die Wirkungsweise des Zählers läßt sich durch Verwendung der oben
gegebenen Vorschrift für die Arbeitsweise der angepaßten, universellen logischen
Elemente an Hand des neben dem Schema verzeichneten Zeitdiagramms verfolgen. Das
Zeitdiagramm fängt mit der Situation an, die entstanden ist, nachdem alle Flip-Flops
des zählenden Speichers den Stand 0 angenommen haben und die des Hilfsspeichers
noch indem durch den vorhergehenden Hilfsimpuls verursachten Stand 1 sind.
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Der Ausgang des Einspeicherverstärkers DT, ist in diesem Augenblick
hoch (positiv), der der anderen Einspeicherverstärker des zählenden Speichers tief
(negativ). Wenn ein Hilfsimpuls (K' mit negativer Polarität) erscheint, werden die
beiden Eingänge von DHo tief und der Ausgang wird hoch. Ho und H1 bekommen dann
einen tiefen Ausgang, und die Flip-Flops des Hilfsspeichers kommen beide in den
Stand, der eine Null repräsentiert. Der Einspeicherverstärker DT, bekommt einen
tiefen Ausgang, so daß die Einspeicherverstärker DTi, DT, und DT, alle einen tiefen
Ausgang haben. Dies hat keinen Effekt auf die Stände der Flip-Flops des zählenden
Speichers, weil jeder der oben gezeichneten Transistoren der Flip-Flops mindestens
einen hohen Eingang hat.
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Der dann folgende Zählimpuls (K tief mit negativer Polarität) verursacht,
daß DTo ausschließlich tiefe Eingänge bekommt, wodurch der Ausgang von To hoch wird.
Der Zähler hat den Stand 001 eingenommen. Folgt jetzt kein Hilfsimpuls, dann bleibt
der Stand des Hilfsspeichers unverändert.
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Das Verschwinden des Zählimpulses (K geht hoch) hat auf den Stand
des zählenden Speichers keinen Einfiuß. Der einzige Erfolg ist, daB allen Einspeicherverstärkern
des zählenden Speichers ein hoher Eingang mehr zugefügt wird. Die Einspeicherverstärker
DT, DTZ und DT, hatten aber schon einen tiefen Ausgang, so daß sich ihr Ausgang
nicht ändert. Der Verstärker DT, kann auch nicht reagieren, weil To ausschließlich
tiefe Eingänge hat.
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Geht K tief, bevor ein Hilfsimpuls erschienen ist, dann bekommt DT,
zwar ausschließlich tiefe Eingänge, aber weil der Ausgang von To hoch war, ändert
sich nichts am Zählerstand. Der Zähler ist also nach dem Erscheinen eines Zählimpulses
blockiert für die weiteren Zählimpulse, bis der Stand des Hilfsspeichers durch einen
nach dem Zählimpuls erschienenen Hilfsimpuls geändert ist. Sobald der Hilfsimpuls
erscheint, wird der Ausgang von Ho hoch, weil DH,, nun ausschließlich tiefe Eingänge
hat. Ho wird tief. Der Stand des Flip-Flops Hl, Hl' bleibt ungeändert, und der Hilfsspeicher
hat den Stand 01 bekommen.
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DTo bekommt einenhohen Eingang (Ho hoch), kann aber das Hochbleiben
von To nicht verhindern. To geht tief beim Auftreten des folgenden Zählimpulses
K, weil der Einspeicherverstärker DT, nur ausschließlich tiefe Eingänge bekommt,
mit dem Erfolg, daß sein Ausgang hoch wird und der Ausgang von To also tief. Das
Hochgehen von DT, hat auch den Erfolg, daß der Ausgang von TI' tief wird und also
der Flip-Flop T1, T1' umspringt. Der jetzt eingehende Hilfsimpuls bringt den Hilfsspeicher
wieder in den Stand 00, wonach der erstfolgende Zählimpuls den Stand 110 des zählenden
Speichers zustande bringt. Auf diese Weise kann Schritt nach Schritt die Wirkungsweise
der Schaltung berücksichtigt werden.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf Zähler beschränkt, die aus
binären Speicherelementen bestehen. Die Einspeicherschaltung kann auch mit Nutzen
für das Steuern von Zählern verwendet werden, deren Stufen sich in mehr als zwei
Zuständen befinden können. Dabei sollten vorzugsweise Elemente benutzt werden, die
auf Grund des Eintreffens eines Zählimpulses aus dem einen in den nächsten Stand
übergehen und denen ein Signal entnommen werden kann, das zum höchsten Stand gehört.
Derartige Elemente mit mehreren Zuständen stellen an sich auch wieder Zähler dar;
sie können gegebenenfalls auch aus Schaltungen gemäß der Erfindung bestehen. Der
Hilfsspeicher kann bei derartigen Zählern auch aus binären Elementen zusammengesetzt
bleiben.
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Tabelle II zeigt ein Kodierungsbeispiel einer Antriebsschaltung für
drei Zählerstufen modulo 10: +1 bedeutet, daß die zugehörige Zählerstufe einen Impuls
von der Antriebsschaltung erhält und mithin
in den nächsten Stand
versetzt wird. Als 9 wird das zum höchsten Stand einer Zählerstufe gehörige Signal
bezeichnet, während 9' die umgekehrte Polarität davon darstellt.
| Tabelle II |
| Bedingungen Operation Erhaltener Stand |
| Z1 Z2 ZO |
| Hl HO |
| K' xx9' DHO 00 |
| K' x 9' 9 DHl x 1 |
| K' x 9 9 DH2 1 x |
| H1 HO Z2 Z1 ZO |
| K 0 0 DZO x x -f-1 |
| K x 1 DZl x +1 -I-1 |
| K 1 x DZ2 +1 -I-1 +1 |
Die Erfindung ist nicht an die Verwendung der erwähnten elektronischen Schaltelemente
gebunden. Schaltungen gemäß der Erfindung können auch mit anderen elektronischen
Mitteln oder mit Relais aufgebaut werden. Man kann sich z. B. vorstellen, daß die
Schalteinheiten, die in der Schaltung der Figur verwendet werden, durch Relais mit
einer mehrfachen Betätigungsspule und einem einfachen Ruhekontakt ersetzt werden.
Eine der Kontaktseiten kann man sich fest geerdet denken, während die andere. denn
Ausgang entspricht. Die Betätigungsspulen sind sämtlich an einer Seite mit einer
Spannungsquelle verbunden zu denken; die anderen Seiten sind dann den Diodeneingängen
analog. Das Relais muß also ebenso viele Spulen aufweisen, wie der Verstärkereingang
Dioden. hat. Das Schaltschema der Figur kann ohne weiteres gebraucht werden, um
einen Zähler mit derartigen Relais zu bauen. Man kann auch Relais mit nur einer
Spule und nur einem Unterbrechungskontakt verwenden, wenn man diese Spule mittels
Dioden an die verschiedenen Signale koppelt.
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Die Verwendung der Erfindung ist auch nicht ausschließlich an den
Gebrauch normaler Zählkodes gebunden. Man kann sich ihrer mit Nutzen bedienen für
jeden Zählkode, der durch eine kleineAnzahl voneinander verschiedener Zähloperationen
gekennzeichnet ist, deren jede unter einer geringen Anzahl voneinander verschiedener
Bedingungen zustande kommt.