DE1762913A1

DE1762913A1 - Umkehrbarer Zaehler mit Tunneldioden

Info

Publication number: DE1762913A1
Application number: DE19681762913
Authority: DE
Inventors: Lux Robert Allen; Weischedel Richard Courtland
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-12-28
Filing date: 1968-09-20
Publication date: 1970-09-17
Also published as: US3569733A

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt 1 τ O O Q1 Q

Frankfurt/Main 1 Ι/ΟΖίΠο

Niddaetr. 53

¹⁹· Sep, 1968

893-35-57D-36O

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady N.Y.,U.S.A.

Umkehrbarer Zähler mit Tunneldioden.

Umkehrbare Zähler oder Abwärtszähler werden für verschiedene Zwecke verwendet, beispielsweise für die Untersuchung elektrischer Signale. Man kann beispielsweise mit einem umkehrbaren Zähler genau bestimmen, wann der Spitzenwert eines elektrischen Signales aufgetreten ist, das von einem Erdbeben, einem Blitz, einer Explosion oder von anderen Erscheinungen abgeleitet wurde. Wenn beispielsweise eine Folge von Vorwärtsimpulsen, die eine positive Neigung des Signales darstellt, von einer bestimmten Anzahl von Rückwärtsimpulsen abgelöst wird, so ist dieses ein Anzeichen dafür, daß der Signalspitzenwert aufgetreten ist. Un eine falsche Anzeige durch Rückwärtsimpuloe zu verhindern, die durch Störungen oder Signalrausohen erseugt sein können, Bind mehr alo ein nückwarteiepuls erforderlich* Die positive und die negative Neigung wird von besonderen Detektoren in diskreten

009831/17*3

Interva,llen bestimmt, und diese Detektoren geben an den umkehrbaren Zähler Vorwärtsimpulse und Rückwärtsimpulse ab.

Es ist ein umkehrbarer Zähler bekannt, der als Ringzähler ausgebildet ist und eine Anzahl hintereinander geschalteter Flip-Flops aufweist. Die Vorwärts- und die Rückwärtsimpulse werden über besondere logische Schaltkreise allen Stufen derart zur.eführt, daß ein Vorwärtsimpuls den Zählerinhalt um eine Stufe nach vorne und ein Rückwärtsimpul3 den Inhalt des Ringzählers um einen Schritt nach rückwärts verschiebt.

Ein umkehrbarer Zähler nach der Erfindung weist eine Anzahl von Tunneldioden auf, die mit einem Vorwärtszählimpulsschalter in einem Serienstromzweig liegen, in dem ein konstanter Strom fließt. Den Tunneldioden und dem Vorwärtszählimpulsschalter ist ein Zählkondensator parallel gelegt. Parallel zu dem Zählkondensator ist ein Rückwärtszählimpulsschalter geschaltet, der ebenfalls in einem Zweig mit konstantem Strom liegt. Die Spannung an dem Zählkondeneator wird schrittweise größer oder kleiner, je nachdem, ob dem Vorwärtnzählimpulsschalter dn Vorwärtszählimpuls oder dem RUckwärtszählsohalter ein Rückwärtszäh1-impula zugeführt ist. Deim Auftreten eines jeden Zählimpulses wird automatisch die richtige Anzahl der Tunneldioden in den nlederimpedanten Zustand umgeschaltet» so daß die Spannung an dem ZUhlkondensator nur garn bestimmte Werte annehmen kann, die ein Maß für die genaue Ansahl der eiählten Impuls· sind. Die

001831/1743 _BA0 original

Zählspannung ändert sich daher immer in genau vorgegebenen Spannungsschritten und wird durch irgendwelche additiven Fehler in den Zählwerten nicht beeinflußt.

Im Folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im Einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist ein elektrisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Kennlinie einer Tunneldiode.

Figur 3 zeigt graphisch den zeitlichen Verlauf einiger Signale, die in der Schaltung nach Figur 1 auftreten.

In der Figur 1 ist ein Serienstroinzweig dargestellt, der zwischen einen Anschluß 11 für positive Arbeitsspannung und Masse gelegt ist. Dieser Serienstromzweig weist in der angeführten Reihenfolge einen Widerstand 12 auf, mehrere Tunneldioden 13» 14, 15, 16 und 17, einen Widerstand 18 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 21. Der Kollektor 22 dieses Transistors ist mit dem Widerstand iß verbunden und der Emitter i3t an Masse gelegt. Mit der Dasis 27 des Transistors 21 ist eine Eingangsklemme 26 für Zeitgeberimpulse verbunden, die hier die Vorwärtsimpulse sind, und zwischen die Dasis 27 und den Spannunesan3chluP* 11 ist noch ein Widerstand 28 gelegt.

049838/1743

BAD

Mit dem Verbindungspunkt 32 zwischen dem Wideretand 12 und der danebenliependen Tunneldiode 13 ist die eine Seite eines Zählkondensators 31 verbunden, dessen andere Seite an Masse gelegt ist. Außerdem steht dieser Verbindungspunkt 32 mit dem Zählerausgang 33 in Verbindung. Zwischen dem Verbindungspunkt 32 und einem Anschluß 37 für negative Arbeitsspannung sind ein Widerstand 3*1 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 36 geschaltet. Hierbei ist der Kollektor 38 mit dem Widerstand 3¹I verbunden, und der Emitter 39 liegt am Anschluß 37 für die negative Arbeitsspannung.

In der dargestellten Ausfuhrungsform werden die Zeitgeberimpulse 46, die dem Vorwärtszählimpulseingang 26 zugeführt werden, von einem Zeitgebergenerator erzeugt, der mit der Impulsabgabe dann beginnt, wenn ein Signalzug auftritt, von dem das Auftreten eines Spitzenwertes festgestellt werden soll. Die Rückwärtszählimpulse Ί7» die dem Eingang *tl zugeführt werden, werden von einem Detektor für negative Signalflanken abgegeben, die auftreten, wenn in dem zu untersuchenden Signalzug irgendwelche negativen Neigungen auftreten. Hierbei ist angenommen, daß das Signal mit einer positiven Neigung begonnen hat.

Nun soll die Wirkungsweise dieser Schaltungeanordnung beschrieben werden. Im Vergleich zu dem Widerstand der Tunneldioden 13 bis 17, des Widerstandes 18 und der Kollektor-Emitter-StrecKe des Tran sistors 21 ist der Wert des Widerstandes 12 verhältnismäßig groß,

009838/1743

BAO ORIGINAL

so daß dieser Widerstand 12 in Verbindung mit der Spannung an der Klemme 11 praktisch einen konstanten Strom liefert. Der Widerstand 18 ist verhältnismäßig klein und wird nur dann verwendet, wenn die Tunneldioden vor überstrom geschützt werden müssen. Der Transistor 21 ist so vorgespannt, daß er normalerweise Strom leitet, so daß der Strom normalerweise durch den Transistor 21 und die Tunneldioden 13 bis 17 hindurchfließt. Der Gesamtwiderstand der Tunneldioden und des Transistors ist verhältnismässig klein, so daß die Spannung am Kondensator 31 zu Beginn praktisch Null ist. Jede Tunneldiode 13 bis 17 ist so eingestellt, daß ihr Arbeitspunkt bei diesem Ausgangszustand bei 51 ihrer Kennlinie 52 liegt, die in der Figur 2 dargestellt ist. Der Spannungs abfall an den Tunneldioden ist daher sehr gering. Die Kennlinie 52 auo Figur 2 entsteht, wenn man den Strom auf der Ordinate 53 gegen die Spannung auf der Abszisse 5^ aufträgt.

Wenn cor ernte Zeitgeberimpuls oder Vorwärts sithlimi nie ^f*6 auftritt, der rK.yitiv ist, wird der Transistor 21 in solcher, '^fmfann gc-8]' :-tr dar- auch alle Tunneldioden 13 bis 17 gesperrt werden. Hvr Ar<::I .unkt der Dioden verschiebt sich daher auf ύ-ν K<MinliiV ^r~ '■ "r "---r-i riar Spr.niunp; Null» Während Ί^·· p-..-τ· <h-n Zo i..··.-.; ~

^:.-·'-:■ -'^ '!teißt ύ:-· Spannung am Kondön — ^or ¹J an_;. da <;·.-■:■ " - ■■·'■ Viaerstanu 12 nun in den Kondioo-itcr· 1 hinein- ;■ ,'^: ■ ;·.'·-·:·>;·■■.■ die-j-■■;:''■ 3ραη;_; inpisanstieges '".^;-f^: ■■: η äc-r Dn-: ■ ■ : ■·„',·'.er· .'·■, Vi-nr -^:·;;·· ersfcs 2v'.' . -b- -} pn;·- '■■(-

at-r.

009839/1743

die Spannungsstufe, um die der Kondensator 31 aufgeladen wurde, beeinflußt die hintereinandergeschalteten Tunneldioden 13 bis 17 auf solche Weise, daß die Arbeitspunkte aller bis auf eine der Tunneldioden zum Punkt 51 auf der Kennlinie nach Figur 2 zurückkehren. Der Arbeitspunkt dieser einen Tunneldiode verschiebt sich dagegen zum Punkt 56 auf der Kennlinie 52, so daß an dieser Tunneldiode eine verhältnismäßig hohe Spannung abfällt und die Spannung am Kondensator 31 praktisch auf einem Wert gehalten wird, der dem Spannungsabfall an dieser einen Tunneldiode entspricht. Zu den Spannungen an den Punkten 51 und der Kennlinie 52 gehört ein Strom 57, der dem konstanten, durch den Widerstand 12 hindurchfließenden Strom entspricht. Dieser Stromwert 57 wird zweckmässigerweise etwa glei⁰*¹ dem halben Spitzenwert 58 der Tunneldiode gewählt, der in der Kennlinie 52 dargestellt ist. Um diese Wirkung zu erzielen, muß die Dauer des Zeitgeberimpulses Ί6 auf die Kennlinien der Tunneldioden 13 bis 17 richtig abgestimmt sein. In einem Ausführungsbeispiel gehörte beispielsweise zum Punkt 56 auf der Kennlinie der Tunneldiode eine Spannung von ¹IOO mV, und die Zeitgeberimpulse ^6 waren so lang, daß während ihrer Dauer der Strom aus dem Widerstand 12 den Zählkondensator 31 um etwa 400 mV aufladen konnte. Da während eines jeden Zeitgeberimpulaes h6 der Zählkondensator 31 um zusätzliche l»00 mV aufgeladen wird, verschiebt sich bei jedem Zeitf.eberimpuls der Arbeitapunkt einer zusätzlichen Tunneldiode zum Punkt 56 * *1θ es bereit? beschrieben wurde. Die Spannung am Kondensator 31 wird daher immer auf einen" Wert gehalten, der einem ganz-

009838/ 1743 b«, _0RIQINAL

zahligen Vielfachen von ^OO mV entspricht, da an jeder der Tunneldigden eine Spannung von ^K)O mV abfällt, wenn ihr Arbeitspunkt auf der Kennlinie 52 bei 56 liegt. Selbst wenn sich die Dauer de3 Zeitgeberimpulses ändert oder wenn diese Impulsdauer nicht optimal ist, stellt die Wirkungsweise der Tunneldioden sicher, daß die einzelnen Spannungsstufen oder Werte an Zählkondensntor 31 ganzzahlige Vielfache von 'tOO mV sind. Wenn beispielsweise die Dauer eines Zeitgeberimpulses länger als der Optimalwert ist, wird der Kondensator 31 auf mehr als *J00 mV aufgeladen und der Arbeitspunkt der Tunneldioden liegt zeitweilig an einem Punkt, der höher als der Punkt 56 ist. Da die Arbeitspunkte der Tunneldioden durch den konstanten Gtrom aus dem Widerstand 12 am Punkt 56 festgehalten werden, führen die Tunneldioden zeitweilig einen höheren Strom, als der Widerstand liefern kann. Dieser zusätzliche Gtrom wird dem Kondensator 31 entnommen, so daß dessen Spannung abnimmt, bis die Arbeitspunkte der Tunneldioden wieder den Punkt 56 auf der Kennlinie erreicht haben. Ein umgekehrter Korrekturvorgang findet statt, wenn die Impulsdauer kürzer als die optimale Impulsdauer ist. Die Schaltungsanordnung zählt daher in einzelnen Spannungsstufen in VorwärtBrichtung, wie es bereits beschrieben wurde, und zwar Bind so viele Zählzuatände möglich, wie es Tunneldioden 13 bis 17 gibt. Dieses Bind im dargestellten Ausführungsbeispiel fünf Tunneldioden.

009838/1743 _BAD

Der Rttckwärtszähltransistor 36 ist so vorgespannt, daß er normalerweise nicht leitet. Der Widerstand 3¹» hat einen verhältnismässig großen Wert, so daß er in Verbindung mit der nenativcn Arbeitsspannung am Anschluß 37 einen konstanten Strom liefert, der etwa doppelt so groß wie der vom Widerstand 12 gelieferte Strom ist, wenn der Transistor 36 leitet. Immer dann, wenn ein Rückwärtszählimpuls Ί7 dem Anschluß ¹Il zugeführt wird, wird der Transistor 36 aufgesteuert. Zu diesen Zeitpunkt fliessen beide konstanten Ströme. Da nun der Rückwärtszählstrom doppelt so groß ist wie der Vorwärtszählstrom, wird der Kondensator 31 teilweise entladen. Um wieviel der Kondensator 31 entladen wird, hängt von der Dauer des Impulses Ί7 ab, der, wenn er auftritt, synchron mit dem Zeitgeberimpuls 46 erscheint. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dauer eines jeden Impulses 47 so gewählt, daß die Spannung am Zählkondensator 31 um etwa Ί00 mV abnimmt. Wenn al3o ein Rückwärtszählimpuls '17 erscheint, wird die Spannung am Zählkondennator 31 um Ί00 mV herabgesetzt. Als Ergebnis hiervon verschiebt sich der Arbeitspunkt einer zusätzlichen Tunneldiode vom Kennlinienpunkt 56, der einen hohen Spannungsabfall an der Tunneldiode darstellt, wieder zurück zum Kennlinienpunkt 51, an dem der Spannungsabfall an der Tunneldiode nur niedrig ist. Die Spannung am Kondensator 31 wird daher um genau ¹IOO mV erniedrigt.

Zwischen den Zählimpulsbreiten, cjer Größe des ZÄhlkondensators 31 und den Werten der konstanten Ströme besteht ein gegenseitiger

009838/1743 bao _0R,_G,_NAL

Zusammenhang.

In dom dargestellten Ausführungsbeispiel treten die Zeitgeberimpulse H6 bzw. die Vorwärtszählimpulse als regelmässige Impulsfolge auf, wie es in der Figur 3 dargestellt ist. Die Rückwärts Zählimpulse ll7 treten nur dann auf, wenn eine Rückwärtszählung durchgeführt werden soll. Wenn die Rückwärtszählimpulse jedoch auftreten, fallen sie zeitlich mit Zeitgeberinpulsen 46 ZU3 ammen.

In der Figur 3> in der die Ordinate 59 die Signalamplitude und die Abszesse 60 die Zeit bedeuten, ist ein Zähler-ausgangssignal 6l dargestellt, das von der Schaltungsanordnung nach der Figur erzeugt würde, wenn dieser Schaltungsanordnung die Zeitgeberimpulce 46 und die Rückwärtszählimpulse 47 zugeführt v/ürden, die in der Figur 3 dargestellt sind. Die ersten fünf Zeitgeberimpulse '¹16 erhöhen der Reihe nach die Zählspannung solange schrittweise, bis der Zählspannungswert 62 erreicht int. Gleichzeitig mit ·:;-.-:··ρ sechsten Zeitgeberimpuls 46 tritt ein Rückw.'irtrszählir".-oul3 'i7 auf, durch den der Zählspannungswert puf den Wert 63 hr■rab.-.esetzt wird, wie es bereitn oben beschrieben wurde. Mit dorn siebten Zeitgeberimpuls Ί6 wird die Zählspannung wieder um eine -rufe erhöht, und diejenigen RÜckwÜrtszählinpu lr»r '-1'I₁ ,^n .'";,· ■.:^: ■ -■'·■■■! tig mit den nächsten drei Zoitf^b-ifriropul;· ,- ; uftr' ' --v, _f ■ ' ^m dift Z '\y:;.. ? -■ ?,rnnung J ' ' 3 Carf^est'lit ist» In

RAD

009838/Π43 ^BAD

Zählerausgangssignal 56 aus Figur 3 sind die ersten fünf aufeinanderfolgenden Vorwärtszählungen eine Anzeige dafür, daß das Signal, das analysiert wird, eine positive Neigung aufweist. Der erste Rückwärt3zählschritt zum Spannungswert 63 ist durch Rausch oder andere Störsignale verursacht. Der darauf folgende Vorwärtszählschritt zeigt an, daß das Signal, das untersucht wird_? seinen Spitzenwert noch nicht mit Sicherheit erreicht hat. Die nächsten aufeinanderfolgenden Rückwärts zähl-^ schritte zeigen an, daß der Spitzenwert des Signals, das untersucht wird, mit Sicherheit bereits aufgetreten ist. Daraufhin kann ein Zeitgeber oder eine Warnvorrichtung betätigt werden, wodurch angezeigt ist, daß der Spitzenwert des untersuchten Signals aufgetreten ist.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung können mehr oder weniger Tunneldioden verwendet werden. Das hängt davon ab, wie groß die gewünschte Maximalzahl an Zählschritten i3t. Bei einer bereits fertiggestellten Schaltungsanordnung kann man die Zählkapazität dadurch erhöhen, daß man in den Gerienschaltzweig zusätzliche Tunneldioden einfügt. Da die Kennlinien der einzelnen Tunneldioden nicht genau übereinstimmen, kann man nicht vorher sagen, bei welcher der Tunneldioden 13 bis 17 für irgendeinen bestimmten Zählschritt der Arbeitspunkt vom Kennlinicnpunkt 56 zum Kennlinienpunkt 51 oder umgekehrt verschoben wird. Dieses ist aber für die Erfindung bedeutungslos, da dio Tunneldioden in Seri'ie geschaltet sind, und da die c.ihlapannung am Kondensn-

BAD ORIGINAL 009638/1743

tor 31 durch den Spannungsabfall an sämtlichen Tunneliioden bestimmt ist. Die einzelnen Zählschritte sind daher immer genau festgelegt und werden durch additive Fehler in den Zählwerten nicht beeinflußt.

009838/1743

Claims

Patentansprüche:

1. Umkehrbarer Zähler, dadurch Gekennzeichnet, dass ein einen konstanten Strom abgebender Stromzweig (11, 12) vorgesehen ist, dem eine Anzahl von Tunneldioden (13 - 17) und ein von Zählimpulsen betätigter Schalter (21) in Serie gelegt sind, und daß den Tunneldioden und dem Schalter (21) ein Zählkondensator (31) parallel geschaltet ist.

2. Umkehrbarer Zähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter einen konstanten Strom führender Stromzweig (3^» 37) und in Serie dazu ein zweiter durch einen zweiten Zählimpuls betätigter Schalter (36)

dem Zählkondensator elektrisch parallel geschaltet sind, und daß • durch die Betätigung des ersten bzw. zweiten Schalters die Spannung am Zählkondensator erhöhbar oder herabsetzbar ist, so daß der Zähler umkehrbar ist.

3. Umkehrbarer Zähler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste durch einen Zählimpuls ansteuerbarer Schalter einen Transistor (21) aufweist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke (22, 23) in Serie mit dem ersten einen konstanten Strom abgebenden Stromeweig geschaltet ist, daß der Dasis (27) dieses Transistors Vorwärtszählimpulse

009838/1743

6AO ORIGINAL

(26, 46) zuführbar sind, und daß der zweite durch Zählimpulse ansteuerbarer Schalter einen weiteren Transistor (36) aufweist, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Serie mit dem zweiten einen konstanten Strom abgebenden Schaltzweig geschaltet ist, und dessen Basis (42) Rückwärtszählimpulse (41, 47) zuführbar sind.

4. Umkehrbarer Zähler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste einen konstanten Strom abgebende Stromzweig eine Spannungsquelle (11) und einen Widerstand (12) aufweist, der in Serie mit den Tunneldioden und dem ersten von Zählimpulsen ansteuerbaren Schalter geschaltet ist, daß der zweite einen konstanten Strom abgebende Stromzweig einen zweiten Widerstand (34) aufweist, der in Serie mit dem eweiten durch Zählimpulse aneteuerbaren Schalter liegt, und daß die beiden Widerstände so groß sind, daß sie als Quellen für konstanten Strom für die beiden einen konstanten Strom führende Stromzweige dienen.

5. Umkehrbarer Zähler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Tunneldioden praktisch übereinstimmende Kennlinien (52) mit einem Zustand mit hohen Spannungtabfall (56) und ein·» Zustand mit niedrigem Spannungsabfall (51) aufweisen und daß dl« Spannung am Zählkondensator dureh die beiden duroh ZÄhlimpulse ansteuerbare Sehalter

ΟΟ··3·/1743

jeweils um Spannungsschritte erhöhbar und herabsetzbar ist, die gleich dem Spannungsabfall an den Tunneldioden im Zustand mit hohem Spannungsabfall sind.

6. Umkehrbarer Zähler nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Strom in dem zweiten einen konstanten Strom führenden Stromzweic doppelt so P groß wie der Strom in dem ersten einen konstanten Strom führenden Stromzweig ist, und daß die Zählimpulse, die dem zweiten durch Zählimpulse ansteuerbaren Schalter zugeführt sind, nur gleichzeitig mit Zählimpulsen auftreten, die dem ersten durch Zählimpulse ansteuerbaren Schalter zugeführt sind.

008831/17*3