DE2106257A1 - Computer-Lehrspiel - Google Patents

Description

Dft. B«rft«rt

• PhSips Potentvärwattung GmbH. AHeNa, PHD- 1623
• 9. Febr. 1971

Philips Patentverwaltung G;-bH., 2 Hamburg 1, Steinaamm

"Computer-Lehrspiel"

Die Erfindung betrifft ein Computer-Lehrspiel zur Demonstration der Realisierung logischer Punktionen durch logische Schaltkreise, wobei ganze Schaltkreise oder Teile davon in vorzugsweise gleich großen, regelmäßig geürmten Gehäusen angeordnet siud und diese Gehäuse entsprechend dem vorgegeDenen logischen System elektrisch und gegebenenfalls mechanisch verbunden werden.

Derartige Lehrspiele sind in verschiedener Porm bekannt. Bei einem solchen Lehrepiei enthalten die Gehäuse mechanisch betätigte Schalter, eieren Eontakte von außerhalb des Gehäuses angeschlossen werdon. Die dabei gegebenen Möglichkeiten sind aber beschränkt, so daß nur begrenzte logische Systeme aufgebaut werden können. Ein anderes Lehrspiel enthält elektronische Bauelemente in zusammenst-ecKbaren Gehäusen, aus denen elektronische Verknüpfungsgatter aufgebaut werden können. Auch hier würde ein größeres logisches System einen äußerst umiaiigreicnen Aufbau ergeben, da jedes Gatter bereits eine Mehrzahl von Gehäusen erfordert.

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Auiierdem sind aaduroh, ciai.; Cehau~e mit. ve.-::;el;..edenen Funktionen verv/enciet v/erdoi;, eine t-ulir große Gei^nitan^ahl von Gehäusen notwendig, cannt ijoi der Roal i.v.iexung von verschiedenen logischeü Systemen von ;jocioi:i Gehi.uscvi.jp foriüF.'nu viele vorhanden Bind. Aii-Ioi or π π j tr. erg .-."hen £^!el^:r 3 Ln Lache Gehäuse rait wenigen (JrUUdOLe₁-"inten, die vielseitiger verwendbar sind, ieiciit einen unuboroicbtlichen 'Scliolt

Der Erfindung la{; d&her die Aufgabe r.u^runde, ein Computer·-- lehrspiel anzugeben, dcis eine möglichst weitgehende Verwendung der vorhandenen Ceh.-iuse gestattet und leicht erweiterungsfähig ist, anderernciits aber einen übersichtlichen Aufbau gestattet. .Dirse Aufgabe wird erfindungsgeEiflß dadurch gelöst, daß nur gleiche Gehäuse vorhanden sind, wobei ein Gehäuse eine mehrefcufige universelle logische Schaltung aus einer Anzahl von elektronischen Verknüpfungsgattern enthält, von der die Eingänge, die Ausgänge und solche Zwischenanschlüsse von außerhalb des Gehäubes ao anschliefibar sinci, aaß bei entsprechender wahlv/eiser Verbindung aer Zwischenanschlüsse des Bausteins das Signal der Ausgänge eine bestimmte logische Punktion der Eingangssignale ist.

Jedes Gehäuse enth/lt auf diese Weise eine programmierbare Schaltung und kann dadurch je nach ausgeführter Verbindung die verschiedensten logischen "Funktionen realisieren, so daß nur ein Gehäusetyp nctv/endig ist, auch wenn große logische /^sterne auf.'-.obhut uei'den sollen. B⁰mit ist auch die Demonstration der- Aufbaues komplexerer integrierter Schaltungen möglich, inuom. ciie Gehäuse zunächst für einfache logische Funjibione.n v/i.j jev.^roiiK ein UliD-Gatter ouer ein ODER-Gattei* pLOgfai-u-xeit v/tirat-.n, dann ourch Verbinden eier so programmier ton Ge rhi.,;; ο Lne komplexere logische Punktion wie; a.H. f.] in " : 1 i' r ^ t'.ufe r>.uL'.~ebaut uird und dann diese komplexere Faul. Ii-- ι i'i ■! tiem Geh" ur.e dnroh Verändern der Verbindungen r,: L in ι -r L %-.·.! .γΊ, wobo i die anueren Gehäuse v/ieder frei verfugbat' \;,. L'.ioti.

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Progrf-ίτ-yicr. .mg, d.h. das Ilörntc-llen der Vc:b.in düngen

den Zvificl-enanGohlibnen l-.cnn auf "venvjahiodenu V/ei cci erfolgen. So können die Zv.i schcnarjöcMik-.Ge al« Stccko&or i'dbraubcr.crliltifjBG auf der Obcrueite des Gehäuses!, inEsboi.pridere siui.eojjen dem Jiingrjjgsj- und den AußgangBnnßchli'r.sen, angeordnet sein und die \⁷"crbinäv-«n;jcn v/erden nittöla Drähten o-ucroführt. Urn diea uu erleiohtö3?n, sind für jode mi ο cino?n Gfihäuwa realisierbare lc^.Uiche Funktion Karten vorhanden, el:".a d&.a für diese Furjlrtion eriorderliohe Verbiiiduncomuotor der Zv,^rischenanuchlüaae direkt bildlich

Un ein logiscl">.;s rSyüten durch eiitr.prc.c:heiide£3 Verbinden der Eingangs- und Aiisgan^crxschlusrsc- möglichst Übersicht— |

lieh aufzubauen, ist die Sichtbar Ire it der Zwischenanscliliicse nicht notwendig, «ondern el or vervfirrend. Ζυ-eclaaüßigGr ware es, v/enn jedeia Genauso seine Funktion unmittelbar abaulenen wäre. D-her iat nach einer weiteren Au.cgesta3.tunc der Erfindung mit jeder Karte eine Platte verbunden, die die Zv/ischenanselilüsse abdeckt, s.B. indem f;ie über die Karte und damit übor die Zv/ischenanschlüsse geklappt wird, und die- dann ein logische« Schaltbild der zwiachen den Eingangs- und Aucgangsanschlücoen gebildeten Funktion zeigt.

Auf diese V/eise ist der logische Signalfluß besonders leicht zu verfolgen. Es entstehen nämlich dadurch logische Bausteine,

die aber alIo auπ gleichen Gehäusen gebildet werden. ,

Die Karte kann aber auch oelbst da3 Verbinduiigamustcr der Zwisohensiiöchlüonc als elektrisch lltende Verbindungen enthalten, etv/a in der Form gedruckter Schaltungen, die beim Einlegen der Karten in elektrischen Kontakt r;it den Zwischenanuchlüssen treten. Dazu nind die Kontakte der Zwlacheiiariinchlüßse federnd ausgebildet, oder die Karte trägt auf dor Unterseite federnde Kontakte und auf der Oberseite eine Platte Mit dem lgjoischeji Schaltbild, vie obon benchrieben.

Bei ία Betrieb äeo Coiiiput^r-Lehirp.ir.-lij ist es zweckmäßig,

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wc-nn der Zustand wenigstens eines Ausgangs siebtbar angezeigt wird. Zu diesem Zweck enthält jedes Gehäuse ein JLnzeigeorgan wie eine lampe oder ein Schauzeichen, das vom Ausgangssignal angesteuert wird.

Ein günstiger und übersichtlicher Aufbau läßt sich mit Gehäusen erreichen, die zwei Ausgänge besitzen, wobei das Signal eines Ausgangs das Komplement des anderen Ausgangssignaüs ist. Dadurch werden Invertierungen von Eingangssignalen unnötig.

Die Anzahl der Eingangsanschlüsse ist zv/ar beliebig, aber bei einer größeren Anzahl wird die im Gehäuse enthaltene logische Schaltung sehr umfangreich und die Zahl der Zwischenanschlüsse und der möglichen logischen Punktionen unübersichtlich groß. Zweckmäßig werden daher drei Eingänge vorgesehen, die in den meisten Fällen ausreichen dürften. Andererseits läßt sich damit aber auch in einem Gehäuse eine Majoritäts- oder Minoritätsschaltung oder auch eine Addierstufe zum binären Addieren von zwei Eiugangssignalen und einem Übertragssignal bilden.

Mehrstufige universelle logische Schaltungen, die alle möglichen logischen Punktionen für die jeweilige Anzahl von Eingangssignalen bilden können-, sind allgemein bereits mehrfach beschrieben worden. Eine spezielle universelle Schaltung für drei Eingänge ist zweckmäßig so aufgebaut, daß zwei Eingänge direkt bzw. invertiert so auf vier UND-Gatter führen, daß alle vier möglicher) Kombinationen der Eingangssignale entschlüsselt werden, wobei jedes UND-Gatter einen weiteren Eingang besitzt, der mit je einem dor Zwischenanschlüsse verbunden ist, die zusammen eine Gruppe bilden. Von der anderen Gruppe der ZwischenanschlÜGGe ist ein Anschluß fest mit dem Potential für die logische "1", ein zweiter Anschluß mit dem Potential für die logische "0", ein dritter Anschluß mit dem dritten Eingang und ein vierter Anschluß über eineii Inverter mit dem dritten Eingang ver-

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■ bunden. Die ODER-Zusammenfassung der Ausgänge der UlTI)- . Gatter bildet den Ausgang der Schaltung» Eine solche Schaltung ermöglicht eine einfache Programmierung, da nur maximal vier Verbindungen zwischen den beiden Gruppen von je vier Zwischenanschlüssen notwendig sind, andererseits aber alle theoretisch möglichen kombinatorischen Funktionen der drei Eingangssignale gebildet werden können. Das sind 2⁸ = 256 Funktionen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Gehäuse mit der Anordnung der Anschlüsse, Fig. 2 eine Zusammenschaltung von drei etwas anders aufgebauten Gehäusen mit einem Eingabegehäuse, Fig. 3 die universelle Schaltung in einem Gehäuse.

In Fig. 1 hat das Gehäuse 1 etwa rechteckigen bzw. quadratischen Grundriß. Auf der einen Seite sind schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen 6 und auf der gegenüberliegenden Seite entsprechende VorSprünge 7 angebracht. Dadurch können mehrere solcher Gehäuse in einer Reihe zusammengeschoben werden. Dabei stellen die Kontakte 8, die in den Ausnehmungen und auf den VorSprüngen 7 angebracht sind, die elektrische Verbindung für die Stromversorgung her. Diese Ausnehmungen und Vorsprünge können auch an der linken und rechten Seite zusätzlich vorgesehen sein.

In einer Vertiefung auf der Oberseite des Gehäuses 1 liegen auf der linken Seite drei Eingangsanechlüsse 2 und auf der rechten Seite zwei Ausgangsanschlüsse 3. Dazwischen liegen die in zwei Gruppen su je vier zusammengefaßten Zwischenanschlüsse 4 und 5. Oberhalb der Vertiefung, neben den AuBgangsanschltissen 3 befindet sich eine Lampe 9» die den Signalzustand eines der Ausgänge 3 anzeigt. Die Anschlüsse bestehen aus geschlitzten Gewinderöhrchen, in denen ein seitlich eingesteckter blanker Draht durch eine in das Röhrchen eingedrehte Schraube festgeklemmt wird. Ea

können aber auch andere Arten von Klemm- «oder Steekvorrichtungen verwendet werden.

Um mit einem Gehäuse eine bestimmte logische Funktion zu realisieren, müssen die Zwischenanschlüsse 4 und 5 in bestimmter Weise verbunden werden. Dies wird dadurch erleichtert, daß zwischen die Zwischenanschlüsse eine Karte 11 eingelegt wird, die das Verbindungsmuster 13 direkt bildlich angibt. Damit die Karte einen besseren Halt hat, reicht sie über Zwischenanschlüsse hinaus, die dann durch Öffnungen 12 in der Karte 11 hindurchfassen. Die Verbindungen we:· den dann durch einzelne, in den Zwischenanschlüssen festgeschraubte oder geklemmte Drähte hergestellt. Dies ist in Pig. 1 jedoch nicht dargestellt.

Ein so mit Zwischenverbindungen versehenes Gehäuse zeigt dann auf der Oberfläche eine Anzahl von Anschlüssen und Verbindungen, wovon beim Zusammenschalten mehrerer Gehäuse aber nur die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse benötigt werden, so daß sich ein unübersichtliches Bild ergibt. Daher ist an jeder Karte 11 über eine Lasche 14 eine Platte "15 befestigt, die die Zwischenanschlüsse und damit deren Verbindungen abdeckt und statt dessen ein logisches Schaltbild der Punktion zeigt, die durch die Verbindungen erzeugt wurde. Zu diesem Zweck hat die Platte 15 etwa die Größe "des Gehäuses und liegt auf dem linken, und dem rechten Teil des Gehäuses auf. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse überragen diese Gehäuseteile und fassen durch entsprechende öffnungen 16 der Platte 15 hinduufc und können dann noch angeschlossen werden. Die Zwischenanschlüsse 4 und 5 sind jedoch kurzer und warden von der Platte verdeckt, so daß äußerlich ein Gehäuse entsteht, das nur Eingangs- und Ausgangsanschlüsse mit dazwischenliegender bildlicher Darstellung der Punktion zeigt, wodurch die damit aufgebauten Systeme sehr übersichtlich werden,.

Statt der bildlichen Darstellung der Verbindungen 13 kann

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die Karte 11 auch direkt die leitenden Verbindungen enthalten, die beim Einsetzen der Karte in elektrischen Kontakt mit den Zwischenannchlüssen 4 und 5 treten, die dafür federnd ausgebildet sein müssen. Die Karte 11 kann auch mit der Platte 15 zu einem Block zusammengefaßt werden, der z.B. Kontaktstifte anstatt der öffnungen 12 trägt, die in entsprechend ausgebildete Zwischenanschlüsse gesteckt werden." Dadurch ergibt sich ein besonders stabiler Aufbau.

Die Fig. 2 zeigt die Zusammenschaltung von mehreren Gehäusen 21, die etwas anders als in Fig. 1 aufgebaut sind. Die Gehäuse sind quaderförmig und tragen auf der ebenen Oberfläche die Eingangsanschlüsse 22, die Ausgangsanschlüsse 23, die Anzeigelampe 29 und wieder die in zwei Gruppen eingeteilten Zwischenanschlüsse 24 und 25. An jeder Seite der Gehäuse sind zwei Buchsen für die Stromversorgung vorgesehen, in die Kontaktstifte 30 eingesetzt oder festgeschraubt werden. Mittels dieser Kontaktanordnung werden die Gehäuse elektrisch und mechanisch verbunden.

Die Karten 31 mit der bildlichen Darstellung der Verbindungen bedecken hier nahezu die ganze Fläche zwischen den Eingangsund Ausgangsanschlüssen 22 und 23. -An den Karten sind über die laschen 34 die Platten 35 befestigt, die über die Zwischenanßchlüsse gelSappt werden und diese verdecken und dafür ein logisches Schaltbild zeigen.

Zusätzlich ist in Fig. 2 noch ein anderes Gehäuse 41 gezeigt, das zwar die gleichen Abmessungen wie die Gehäuse 21 hat, aber einen anderen Aufbau besitzt und zur Informationseingabe dient. Dafür enthält es eine Anzahl Schalter 44, mit denen am gegenüberliegenden Ausgang das Signal ^w0" oder "1" eingestellt wird. Außerdem enthält es vorzugsweise die Stromversorgung für die anderen Gehäuse, z.B. Trockenzellen, Akkus oder Netzgeräte, die durch den Schalter 43 oin- bzw. ausgeschaltet wird.

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Die Verbindungen können auch durch Kurzschlußbügel hergestellt werden, die zweckmäßig alle gleich« Abmessungen haben, wie Pig. 3 zeigt. Dafür missen die Zwischenansehlüese 24 jeweils vier Kontakte besitzen, die auf eine* "Kreisbogen um die anderen Zwisohenanschlüsse 25 angeordnet jind, damit die Kurzschlußstecker 36 bis 39 in allen Stellungen eingesetzt v/erden können. Die Kontakte sind vorzugsweise als Hohlmieten auf einer gedruckten Schaltung angebracht, die die Verdrahtung etwa in der in Pig. 3 goHeigten Form trägt. Die Kurzschlußbügel können auch durch eine Lasche ernetzt werden, die mit einer Spitze in die Kontakte faßt und die an den Anschlüssen 25 drehbar gelagert und gegbenonfalls fest-schraubbar sind, so daß die zur Programmierung des Gehäuses erforderlichen Verbindungselemente immer am Gehäuse vorhanden sind. Diese Lasche kann auch der Schaltarm eines Drehschalters sein, dessen Gegenkontaktc direkt durch die gedruckte Schaltung gebildet werden.

Den Aufbau der universellen logischen Schaltung für drei Eingangsanschlüsse zeigt die Pig. 4. Die drei Eingänge 52 sind je mit einem Inverter 60, 62 und 64 verbunden, der insbesondere die Eingangssignale verstärken bzw. die Eingangsbelastung herabsetzen soll. Der Ausgang der Inverter führt jeweils auf einen weiteren Inverter 61, 63 und 65. Damit stehen nun sowohl.die originalen wie auch die invertierten Eingangssignale verstärkt zur Verfügung.

Die Ausgänge der Inverter 60 bis 63 führen nun so auf vier NAND-Gatter 66 bis 69, daß alle möglichen Kombinationen der Signale der ersten beiden Eingänge entschlüsselt werden. Die NAND-Gatter 66 bis 69 besitzen je einen weiteren Eingang, der mit der zweiten Gruppe der Zwischenanschlüsse 55 verbunden ist. Von der ersten Gruppe der Zv/ischenaiischlüsBe ist ein Anschluß mit OV verbunden, die dem Gehäuse über einen der Anschlüsse 58 geliefert wird, und hat somit dauernd •das Potential der logischen "0". Ein weiterer Anschluß ist über ,einen Schutzwiderstand 7.4 wit d&r Betriebsspannung

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+U verbunden, die dem Gehäuse über den anderen der Anschlüsse 58 geliefert wird, und hat somit dauernd das Potential der logischen "1". Die anderen beiden Anschlüsse sind mit den Invertern 64 bzw. 65 verbunden und führen somit das originale bsw. das invertierte Signal des drittel dor Eingänge 52.

Die Ausgänge der NAND-Gatter 66 bis 69 sind UND-mäßig zusammengefaßt, was hier wegen des internen Aufbaues der NAND-Gatter durch eino galvanische Verbindung ihrer Ausgänge realisiert wii'd ("wired AIID"). Der Widerstand 72 ist ein strombegrenzender Widerstand über den der Transistor 73 angesteuert wird, der wieder die lampe 59 zum Anzeigen des Signalzustandes des Ausgangs ansteuert. Die Ausgangssignale werden zur.Verstärkung über einen Inverter 70 und zur Umkehrung über einen weiteren Inverter 71 den Ausgangsanschlüssen 53 zugeführt.

Um mit dieser Schaltung eine UND-Verknüpfung der drei an den Eingängen 52 liegenden Signale zu erreichen, d.h. das Gehäuse als UND-Gatter zu programmieren, wird der zusätzliche Eingang des ITAND-Gatters 69 mit dem Ausgang des Inverters verbunden und die zusätzlichen Eingänge der NAND-Gatter bis 68 mit dem Anschluß für die logische ¹¹O". Dann wirkt nur das NAND-Gatter 69 und erscheint durch den Inverter als UND-Gatter am Ausgang. Eine ODER-Verknüpfung wird dadurch gebildet, daß der zusätzliche Eingang des NAND-Gatters mit dem Ausgang des Inverters 65 verbunden wird und die zusätzlichen Eingänge derNAND-Gatter 67 bis 69 mit der logischen "1". Wenn dann alle Eingänge 52 logisches "O"-Signal erhalten, erhält mindestens ein Eingang aller NAND-Gatter 66 bis 69 ein logisches "O"-Signal. Damit führen deren Ausgänge alle logisches "'!"-Signal, also am Ausgang des Inverters 70 ein "O"-Signal, Sobald aber woiugotena einer der drei Eingänge 52 ein "I"-Signal erhält, erhält auch mindestens eines der NAITD-Gatfcur CG bis 69 an allen droi Eingängen ein logisches "T'-Sig^Al und bewi/.'kt damit auf der Verbindung dor Ausgänge der NAI!i>-Gatfcör 6*ϊ In ti 69 ein

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logischer "O"-Sign*l und damit am'Ausgang de« Inverters 70 ein logisches "1"-Signal, wie es für die ODER-Punktion gefordert ist. Hierbei sind al30 alle NAND-Gatter 66 bis 69 beteiligt.

In ähnlicher Weise können alle anderen Funktionen erläutert werden.

PATENTANSPRÜCHE:

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Claims (1)

1. PATBiiTAlfSPRÜCHE:

   Computer-Lehropiel zur Demonstration der Realisierung logischer Funktionen durch logische Schaltkreise, wobei ganze Schaltkreise oder Teile davon in vorzugsweise gleichermaßen, regelmäßig geformten Gehäusen angeordnet sind und diese Gehäuse entsprechend dem vorgegebnen logischen System elektrisch und gegebenenfalls mechanisch verbunden werden, daclurch gekennzeichnet, daß nur gleiche Gehäuse vorhanden sind, wobei ein Gehäuse eins mehrstufige universelle logische Schaltung aus einer Anzahl von elektronischen Verknüpfungsgattern enthält, von der die Eingänge, die Ausgänge und solche Zwischenanschlüsse von außerhalb des Gehäuses so annchließbar sind, daß bei entsprechender wahlweiser Verbindung der Zwischenanschlüsse des Bausteins das Signal der Ausgänge eine bestimmte logische Punktion der Eingangsßignale ist.

   Computer-Lehrspiel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenanschlüsse auf der Oberseite der Gehäuse zwischen den Eingangs- und den AuBgangsanschlüssen angeordnet sind.

   Computer-Lehrspiel nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Zwischenanschlüsse Karten einlegbar sind, die für jeweils eine gewünschte logische [Funktion das dafür erforderliche Verbindungsmu3ter der Zwischenanschlüsse direkt bildlich angeben.

   Computer-Lehrspiel nach Anspruch 5, dadurcL rpkermgelehnet, daß mit jeder Karte eine Platte verbunden ist, die die Zwischenanochlüsse abdeckt und dio dann ein logisches Schaltbild der zwischen den Eingangs- m?d Ausgangsanschlüssen

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   durch die Karte gebildeten Funktion zeigt.

   Computer-Lehrspiel nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet« daß die Karte »elbst das Verbindungsmuster der Zwischenanschlüsse als elektrisch leitende Verbindungen enthält, die beim Einlegen der Karten in elektrischen Kontakt mit den Zwischenanschlüssen treten.

   Computer-Lehrepiel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gehäuse ein Anzeigeorgan für den Signalzustand eines der Ausgangsanschlüsse enthält.

   Computer-Iehrspiel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zwei Ausgangsanschlüsse besitzt, deren Signale zueinander komplementär sind.

   Computer-Iehrspiel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrstufige universelle logische Schaltung drei Eingänge besitzt, von denen zwei direkt bzw. invertiert so auf vier UND-Gatter führen, daß alle vier möglichen .Kombinationen der Eingangssignale entschlüsselt werden, wobei jedes UND-Gatter einen weiteren Eingang besitzt, der mit einer Gruppe von Zwischenaschlüssen verbunden ist, daß von der anderen Gruppe der Zwischenanschlüsse ein Anschluß fest mit dem Potential für die logische "1", ein zweiter Anschluß mit dem Potential für die logische "0", ein dritter Anschluß mit dem dritten Eingang und ein vierter Anschluß über einen Inverter mit dem dritten Eingang verbunden ist, und daß die ODER-Zusammenfasßung der Ausgänge der UND-Gatter den Ausgang der Schaltung bildet.

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   Cojnputer-Lehrspiel nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet _f daß die Gehäuse mechanisch susaamenfügbar sind und daß dabei die an allen Seiten herausgeführten anschlüsse für die Stromversorgung der Bausteine elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

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   ORIGINAL INSPECTEb