DE2119091A1 - Spannungsgesteuerter Taktgenerator - Google Patents
Spannungsgesteuerter TaktgeneratorInfo
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
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Description
Dipl.-Phys. Leo Thul
7 Stuttgart
7 Stuttgart
M.A. Epstein - 4
INTERNATIONAL. STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Spannungsgesteuerter Taktgenerator
Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Taktgenerator, der einen Ausgangstakt erzeugt, dessen Frequenz gleich
der eines Eingangstaktes ist, und der mit dem Eingangstakt synchron läuft.
In den letzten Jahren sind spannungsgesteuerte Oszillatoren und spannungsgesteuerte Taktgeneratoren in vielen Systemen
verwendet worden, z.B. in binär arbeitenden Datenverarbeitungssystemen, bei der Pulscodemodulation, bei mit
dem Zeitmultiplexverfahren arbeitenden Nachrichtensystemen und bei Nachrichtensystemen,die mit Frequenzmodulation
arbeiten. Bei diesen Systemen wird der spannungsgesteuerte Taktgenerator dazu verwendet, einen Takt zu erzeugen, dessen
Phase mit der Phase einer vorgegebenen Komponenten eines anderen Zeichens des vorliegenden Systems, deren Phase sich
ändern kann, synchron läuft. Insbesondere sind solche spannungsgesteuerte Taktgeneratoren dazu verwendet worden,
einen örtlichen Takt in Abhängigkeit von der Bit- oder Rahmenfrequenz eines binärcodierten Signals zu erzeugen,
das wiederum zur Steuerung der Verarbeitung des binären Signals verwendet wird, z.B. zur Wiederherstellung einer
Wellenform, zur Trennung der Multiplexkanäle , zur Dekodierung der binären Daten oder zur Wiederherstellung des
frequenzmodulierten Zeichens.
In letzter Zeit sind spannungsgesteuerte Taktgeneratoren
zu notwendigen Komponenten von Systemen geworden, die asynchrone Datenströme vervielfachen und verarbeiten.
16.April 1971
Sr/Mr 106846/1601 "A
Die spannungsgesteuerten Taktgeneratoren werden dazu verwendet,
den Phasenveränderungen der modifizierten Datenstromtakte zu folgen, und gleichzeitig große Unregelmässigkeiten der Phase,
die im Laufe der Verarbeitung des Eingangsdatenstromes auftreten, auszugleichen. Bei den bekannten Systemen hat man bisher
analog arbeitende Spannungsgesteuerte Oszillatoren oder Taktgeneratoren verwendet.
Aufgabe derv\Erfindung ist es, einen digital arbeitenden
spannungsgesteuerten Taktgenerator zu schaffen, der an Stelle der bisher verwendeten analog arbeitenden spannungsgesteuerten
Oszillatoren verwendet werden kann.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch eine Generatorstufe,
die einen örtlichen Takt mit erzeugt, dessen Frequenz gleich L mal der genannten Frequenz Jst, wobei L eine
ganze Zahl größer als 1 ist, und die wenigstens ein erstes Zeitzeichen erzeugt, das ein erstes Aktivierungsintervall bestimmt,
durch eine Zählschaltung, die abhängig von dem örtlichen
Takt und dem ersten Zeitzeichen den Ausgangstakt erzeugt, und durch eine Komparatorschaltung, die auf das erste
Zeitzeichen und auf die Phasenrelation zwischen Eingangs- und Ausgangstakt anspricht und die Erzeugung der Ausgangstakte
synchron mit dem Eingangstakt steuert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den
Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und den Zeichungen hervor. Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:
Fig.l ein Blociüiagramm, das den Grundgedanken der Erfindung
veranschaulicht,
Fig.2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig.3 Zeitdiagramme, die zur Erklärung des Betriebes der
Schaltungsanordnung der Fig.2 verwendet werden.
In Fig.l ist ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung gezeigt,
die der Grundkonzeption eines erfindungsgemäßen,
V- .
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M.A. Epstein - 4
spannungsgesteuerten Oszillators entspricht. Ein Impulsgenerator 1 mit starrer Frequenz, dessen Wiederholungsfrequenz
gleich einem vorgegebenen Vielfachen L der nominellen Wiederholungsfrequenz des gewünschten Ausgangstaktes ist,
ist mit einem Binärzähler 2 verbunden, damit der gewünschte Ausgangstakt mit einer vorbestimmten durchschnittlichen
Frequenz erzeugt wird. Der Generator 1 ist außerdem mit einer Entscheidungsstufe 7 verbunden, um deren Betrieb
zu synchronisieren. Das Ausgangszeichen des Zählers 2 · wird zusammen mit dem Eingangszeichen veränderlicher Phase
von dem Taktgeber 3, das eine vorgegebene mittlere PuIsfolgefrequenz
hat, einem digitalen Phasenkomparator 4 zugeführt, der die Phase der beiden Takte modulo M Zyklen
vergleicht. Der Komparator 4, der von einem ersten Zeitzeichen eines Zeittaktgebers 5 gesteuert wird, wird lediglich
während eines ersten Aktivierungsintervalls aktiviert, und er kann seinen Zustand während eines definierten Intervalls
während dieses Zeitzeichens nicht ändern, so daß das Ausgangsfehlerzeichen nicht behindert wird. Der Phasenkomparator
4 arbeitet modulo M Zyklen, indem er sowohl d*n Eingangstakt als auch den Ausgangstakt durchweinen vorgegebenen
Faktor M dividiert, bevor sie einem digitalen Phasenkomparator zugeführt werden, der das Phasenfehlerzeichen
erzeugt. Der Zeittaktgeber 5 erzeugt außerdem ein zweites Zeitzeichen mit einem zweiten Aktivierungsintervall, das zusammen mit dem Phasenfehlerausgangszeichen
des Komparators 4 einer Entscheidungsstufe 7 zugeführt wird, damit 1 von 3 Zeichen erzeugt wird, das dem Zähler 2
zugeführt wird und zur Änderung seines Zählstandes dient, so daß der Ausgangstakt des erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten
Oszillators der Phasenveränderung des Eingangstaktes des Taktgebers 3 folgt. Die Entscheidungsstufe 7
kann so verändert werden, daß sie η Impulse addiert oder subtrahiert. Das Ausgahgszeichen 1 von der Entscheidungsstufe
7 bedeutet, daß keine Änderung stattgefunden hat und folglich die Eingangs- und Ausgangstakte während des zweiten
Aktivierungsintervalls oder bei Abwesenheit des zweiten
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M.A. Epstein - 4
Aktivierungsintervalls im wesentlichen gleichphasig sind. Ein anderes, von der Stufe 7 erzeugtes Ausgangszeichen führt)
dem Zähler 2 einen Impuls zu, so daß dessen Zählstand erhöht wird, damit der Ausgangstakt der Phasenveränderung
des Eingangstaktes folgt. Ein drittes Ausgangszeichen der Entscheidungsstufe 7 subtrahiert an einer geeigneten Stelle
in dem Zähler 2 einen Impuls, um dessen Zählung zu verzögern, so daß der Ausgangstakt der Phasenveränderung des
Eingangstaktes folgt. Die beiden letzgenannten Ausgangszeichen der Entscheidungsstufe 7 können lediglich während
des zweiten Aktivierungsintervalls auftreten .
Wie.oben bereits vermerkt-wurde arbeitet der Phasenkomparator
modulo M Zyklen. In der Kurve A der Pig·. 3 ist eine Impulsfolge mit einer Pulsfolgefrequenz von 18,4 MHz
dargestellt. Der Ausgang eines Taktgebers 14 ist mit einem Binärzähler 15 verbunden, der die ankommenden Impuls
durch N=l6 000 dividiert, so daß an seinem Ausgang eine Wellenform mit einer Frequenz von 1,15 KHz erzeugt
wird, wie wie in der Kurve B der Pig.3 dargestellt ist. Der Ausgang des Zählers 15 ist mit einer Differenzierschaltung
16 verbunden, die lediglich die positiven Werte auswertet, so daß die in der Kurve C der Fig.3 dargestellte
Wellenform erzeugt wird. Der Ausgang der Differnzierschaltung 16 ist mit einer nicht von einem Taktgeber gesteuerten
RS-Kippstufe 17 verbunden, die ein in der Kurve D der Fig.3 dargestelltes Ausgangszeichen erzeugt. Das Ausgangszeichen
der Kippstufe 17 wird einer mit einem Taktgeber verbundenen RS-Kippstfe 18 zugeführt, so daß das
Ausgangszeichen "l" der Kippstufe 17 dem eingestellten Eingang
der Kippstufe 18 zugeführt wird. Die Kippstufe 18 erhält ihren Eingangstakt von dem Ausgang eines Inverters 37,
der mit dem Taktgeber 14 verbunden ist. Das Ausgangszeichen
"I' der Kippstufe l8 ist in der Kurve E der Fig. 3 dargestellt, und es wird dem Rückstelleingang der Kippstufe 18
direkt zugeführt und dem Rückstelleingang der Kippstufe 17
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über eine UND-Schaltung 19, deren anderem Eingang die von dem Taktgeber 14 erzeugte Impulsfolge zugeführt wird. Das
Ausgangszeichen an dem "O '-Ausgang der Kippstufe 18 ist durch das Zeichen E markiert und ist das Komplement der
Kurve E der Fig.3. Eine UND-Schaltung 20 ist mit dem "o"-Ausgang
der bistabilen Kippstufe l8 verbunden, so daß sie, von dem Taktgeber 14 gesteuert, einen örtlichen Takt mit
einer Pulsfolgefrequenz von 18,4 MHz erzeugt, bei dem jeder N-te Impuls unterdrückt ist. Die Unterdrückung der
Impulse des Ausgangszeichens der UND-Schaltung 20, das in der Kurve G der Fig.3 dargestellt ist, wiederholt sich mit
einer Frequenz von 1,15KHz. Dieses Taktzeichen der UND-Schaltung 20 treibt eine Zählkette an, die Zähler 9 und 10 ' (
umfaßt. An dem "l';-Ausgang der Kippstufe 18 ist eine UND-Schaltung
21 angeschlossen, die von dem Taktgeber 14 gesteuert wird, um den Unterdrückungsimpuls zu erzeugen,
vgl. Kurve F der Fig.J. Dieses Zeitzeichen umfaßt das
zweite Aktivierungsintervall.
Der "l"-Ausgang der zweiten Kippstufe des Zählers 9 ist
in der Kurve H der Fig.3 dargestellt, während das Ausgangszeichen des O"-Ausgangs derselben Kippstufe des Zählers
das Komplement E der Wellenform H ist. Diese beiden Ausgangszeichen werden 2 UND-Schaltungen 22 und 23 eines
Addierers 11 zugeführt. Die anderen Eingangszeichen dieser UND-Schaltungen 22 und 23 werden von dem Ausgang einer JK-Kippstufe
24 erzeugt, deren Betrieb weiter unten im Zusammenhang mit dem Phasenkomparator näher beschrieben
wird. Die Ausgänge der UND-Schaltunyen 22 und 23 sind über
eine ODER-Schaltung 25 mit einem Inverter 26 verbunden,
und auf diese Weise erhält man einen Addierer der modulo 2 arbeitet und in Fonp einer Antivalenzschaltung aufgebaut
ist. Wie oben erwähnt wurde, wurdeder Eingangstakt veränderlicher Phase von dem Zähler 8dLvidiert, so daß die
Wellenform Jeder Fig.3 und ihr Komplement J erzeugt wird,
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und der Ausgang des Zähler 10 wurde in ähnlicher Weise von
dem Zähler 12 dividiert, damit so die Phasenreferenzwelle I erzeugt wurde. Der Phasenkomparator 13 umfaßt eine bistabile
RS-Kippstufe 28, dessen Takteingang mit dem Ό"-Ausgang
des Zählers 12 verbunden ist, dessen Einstelleingang über eine UND-Schaltung 29 mit dem :1"-Ausgang des Zählers 8,
und dessen Rückstelleingang über eine UND-Schaltung 30 mit
dem "O"-Ausgang des Zählers 8 verbunden ist. Die üND-Schaltungen
29 und 30 empfangen an ihrem zweiten Eingang
das erste Aktivierungsintervall-Zeitzeichen, das von dem
11O"-Ausgang der Kippstufe 18 abgeleitet ist und das
Komplement der Wellenform E der Pig.3 bildet, und das dazu dient, eine Änderung des Zustands der Kippstufe 28
während des Intervalls des unterdrückten Impulses zu verhindern, das ist das Intervall indem die Phaseneinstellung
des örtlich erzeugten Ausgangstaktes durchgeführt wird. Das Ausgangszeichen des "Ί;!-Ausgangs der Kippstufe
28 ist in der Kurve K der Figur dargestellt. Es wird sowohl dem Einstell- als auch dem Rückstelleingang der
JK-Kippstufe 24 zugeführt. Der Eingangstakt der Kippstufe
24, der von dem Ausgang der UND-Schaltung 21 erzeugt wird, ist der in der Kurve P der Fig.3 dargestellte fehlende
Impuls. Das Ausgangszeichen des '1*!-Ausgangs der Kippstufe
24 ist in der Kurve L der Fig.3 dargestellt. Dieses Zeichen
wird einem Eingang der UND-Schaltung 22 zugeführt während das Komplement dieser Kurve, das an dem !l0"-Ausgang
der Kippstufe 24 erscheint, dem zweiten Eingang der UND-Schaltung 23 zugeführt wird.
Im folgenden wird ausführlich beschrieben, wie die Phaseneinstellung
des lokalen Taktes durch die Zählkette, welche die Zähler 9 und 10 umfaßt, durchgeführt wird. Es wird
zunächst die relative Phasenbeziehung zwischen den Zeichen J und I betrachtet, die der Kippstufe 28 etwa zur Zeit
des fehlenden Impulses zugeführt werden, wie es durch die Punkte 31 und 32 der Kurven G, I und J der Fig.3 dargestellt
ist. Wenn die ansteigende Kante Jl der Kurve I
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dem Takteingang der Kippstufe 28 zugeführt wird, dann ist das Eingangszeichen J, das durch die UND-Schaltungen 29,
die durch das Kompliment der Kurve E geöffnet wird, eine Ό", und das J-Eingangszeichen, das durch die UND-Schaltung
30, die durch das Komplement der Kurve E geöffnet wird, gelangt, ist eine "I1. Die Kippstufe 28 ist jetzt
in ihrem Zustand "Ό" und das Ausgangszeichen K ist eine "θ", wenn der fehlende Impuls des Ausgangszeichens der
UND-Schaltung'21 ankommt. Bei diesem Ausgangszeichen
von der Kippstufe 28 bleibt die bistabile JK-Kippstufe in demselben Zustand, der in diesem Falle das Ausgangszeichen
"θ" der Kurve L ist, während das Komplement L im Zustand 1I'1 bleibt. Bei diesem Zustand vermag das
Kompl ment der Kurve H den Zähler 10 anzutreiben und dadurch
den in der Phase eingestellten örtlichen Takt am Eingang des Zählers 10 mit einem fehlenden Impuls aufrecht
zu erhalten, wie es in der Kurve C dargestellt ist, wobei dieser fehlende Impuls der Zuführung eines -1-Impulses
von der Entseheidungsstufe 7 zu dem Binärzähler 2
der Pig.l entspricht.
Es wird jetzt untersucht, was geschieht, wenn die Kurven I und J die bei den^Punkten 33 und j4 dieser Kurven dargestellte
Phasenbeziehimng zueinander aufweisen. In diesem
Zustand befindet sich die Kippstufe 28 in dem Zustand Ί!,
der ihrem Einstelleingang zu dem Zeitpunkt zugeführt wird, in dem die positive Kante 33 der Kurve I der Fig.3 der
Kippstufe 28 einen Taktimpuls zuführt, wodurch bei Ankunft des fehlenden Impulses an dem Ausgang der UND-Schaltung
ein Ausgangszeichen '1I'' erzeugt wird, wie es in der Kurve K
der Fig.3 gezeigt ist. Infolgedessen erhalten sowohl der Einstell- als auch der Rückstelleingang der «JK-Kippstufe
24 ein Eingangszeichen "1 ', und ihr Ausgangszeichen wird
durch die Zuführung des fehlenden Impulses zu dem Eingangszeichen der Kippstufe 24 vervollständig, was zu der in der
Kurve L erzeugten Wellenform 35-'führt. Die Wellen L und L,
die den Addiererhälften zugeführt werden, bilden einen
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Additionsübergang jj6 des Eingangszeichens des Zählers 10,
wie es in der Kurve M der Fig.3 dargestellt ist. Dieser ♦
eine Additionsübergang, welcher der Zählerkette zugeführt wird, die die Zähler 9 und 10 in der dargestellten Anordnung
umfaßt, fügt dem Ausgangstakt effektiv zwei Zählungen hinzu, so daß die Phase des Taktes um 2 vorgerückt
wird, was zusammen mit der Wirkung des fehlenden Impulses bei dem Zähler 9 der Zuführung eines +1-Impulses
von der Entscheidungsstufe 7 zu dem Zähler 2 der Fig.l
entspricht. Die Gesamtwirkung dieses Betriebs bewirkt eine Phasenveränderung des Ausgangszeichens des Zählers
10, so daß dieser der Phasenveränderung des Ausgangs-
* zeichens des Taktgebers 3 folgt«
Der digitale, ßpannungsgesteuerte Oszillator liefert einen Ausgangstakt, der der Phase des Eingangstaktes entweder
voreilt oder nachläuft, der aber niemals wirklich mit dem Eingangstakt koinzidiert. Diese fehlende Koinzidenz
ist eine natürliche Folge der Tatsache, daß der Eingangstakt seine Phase kontinuierlich verändern kann, während
die Korrekturen des phasengesteuerten Taktes nit der be-*
schriebenen Schaltungsanordnung in quantisierten Schritten durchgeführt wird, die auf die Periode des Taktgebers
14 bezogen sind. Ein Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist daran zu sehen, daß die maximale Frequenzverschiebung
des Ausgangstakts zu dem nominellen Takt durch die Schrittgröße und die Frequenz der Aktivierungsintervalle begrenzt
ist, wodurch eine Glättung des Eingangstaktes erzeugt wird. Mit hinreichend kleiner Schrittgröße und einer geeigneten
Begrenzung der Frequenzverschiebung gegenüber der nominellen Phase folgt der örtliche Takt der Phase des Eingangstaktes
hinreichend nahe und mit einer ausreichenden Glättung, so · daß der Phasenfehler riguros begrenzt werden kann, so daß
er den Anforderungen der gegenwärtigen asynchronen Zeitmultiplex-Verschachtelungs-
und -Trennanordnungen erfüllt.
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Claims (7)
- M.A. Epstein - 4PatentansprücheQySpannungsgesteuerter Taktgenerator, der einen Ausgangstakt erzeugt, dessen Frequenz gleich dem eines Eingangstaktes ist,und der mit dem Eingangstakt synchron läuft, gekennzeichnet durch eine Generatorstufe (1,4,5; 14,15,20,21), die einen örtlichen Takt erzeugt, dessen Frequenz gleich L mal der genannten Frequenz ist, wobei Ii eine ganze Zahl größer als 1 ist, und die wenigstens ein erstes Zeitzeichen erzeugt, das ein erstes Aktivierungsintervall bestimmt, durch eine Zählschaltung (2;9, 10) die abhängig von dem örtlichen Takt und dem ersten Taktzeichen den Ausgangstakt erzeugt, und durch eine Komparatorschaltung (7>13)i die auf das erste Zeitzeichen und auf die Phasenrelation zwischen Eingangs^ und Ausgangstakt anspricht und die Erzeugung des Ausgangstaktes synchron mit dem Eingangstakt steuert.
- 2.Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorstufe (1,4,5; 14,15,20,21) einen Takt erzeugt, bei dem Jeder N-te Impuls fehlt, wobei N eine• sieganze Zahl größer als 1 ist, und daß als erstes Zeitzeichen (F) diesen fehlenden Impuls erzeugt.
- 3.Taktgenerator nach Ansoruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung eine binäre Zählkette (9,10) umfaßt, und daß die Komparatorschaltung einen digitalen Phasenkomparator (Ij) umfaßt, der mit der Generatorstufe (14,15,20,21) und der Zählkette (9,10) verbunden ist, und der die Phase des Eingangstaktes mit der;. ' des Ausgantaktes vergMcht und daß die Komparatorschaltung eine Entscheidungsstufe (7,24) umfaßt, die auf das Ausgangszeichen des Phasenkomparator (13) und auf den fehlenden Impuls (F) anspricht und den Zählstand der Zählkette (9,10) entsprechend einstellt.M.A. Epstein - 4
- 4.Taktgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorstufe (14,15*20,21) einen örtlichen Taktgeber (14) umfaßt, an den ein Binärzähler (15) angeschlossen ist der die erzeugte Frequenz durch N dividiert, und daß die Generatorstufe eine logische Schaltstufe (16-21,37) umfaßt, die den fehlenden Impuls (P) erzeugt.
- 5·Taktgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Sehaltstufe eine erste bistabile RS-Kippstufe (17) umfaßt, deren Einstelleingang mit dem Zähler (15) verbunden ist, daß die logische Schaltstufew eine zweite bistabile RS-Kippstufe (18) umfaßt, deren Einstelleingang mit dem "l"-Ausgang der ersten RS-Kippstufe (17) verbunden ist, deren Takteingang mit dem örtlichen Taktgenerator (14) verbunden ist, und deren "1"-Ausgang mit ihrem Rucksteileingang verbunden ist, daß die logische Schaltung eine erste UND-Schaltung umfaßt, deren Ausgang mit dem Rückstelleingang der ersten RS-Kippstufe (17)j und deren beide Eingänge mit dem Taktgenerator (14) bzw. mit dem :f 1" -Ausgang der zweiten RS-Kippstufe (18) verbunden sind* daß die logische Schaltstufe eine zweite UND-Schaltung (21) umfaßt, die den fehlenden Impuls (F) erzeugt und deren beide Eingänge mit dem "1!!-Ausgang der zweiten RS-Kippstufe (18) bzw.mit örtlichen Taktgenerator (14) verbunden sind, und daß die logische Schaltstufe eine dritte UND-Schaltung (20) umfaßt, die den örtlichen Takt (G) erzeugt, und deren beide Eingänge mit dem !!0" -Ausgang der zweiten RS-Kippstufe und dem örtlichen Taktgenerator (14) verbunden sind.
- 6.Taktgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung eine bistabile JK-Kippstufe 28 umfaßt, deren Einstell- und Rückstelleingang mit dem Ausgang des digitalen Phasenkomparator (1?), und deren Takteingang mit der auf den fehlenden Impuls ansprechenden Einrichtung (21) verbunden Ist* xmü daß der109845/1891V-M.A. Epstein - 4Komparatorschaltung (13) ein modulo 2 arbeitender Addierer nachgeschaltet ist, der den Zählstand der Zählkette (9,10) so einstellt, daß an deren Ende der genannte Ausgangstakt erzeugt wird.
- 7.Taktgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkomparator (IJ) eine bistabile RS-Kippstilfe (28) umfaßt, deren Einstelleingang und/oder Rückstelleingang mit dem Eingangstakt und dem örtlichen Taktgenerator (1*4) verbunden sind, und deren Takteingang mit dem Ausgang der Zählkette (9, 10) verbunden ist.109845/1691
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