DE2125092A1 - Verfahren und digitaler Funktionsgenerator zum Erzeugen einer beliebigen digitalen Funktion - Google Patents

Description

Charter Oak Boulevard, West Hartford

Connecticut 06101 / USA

Verfahren und digitaler· Funktionsgenerator zum Erzeugen
einer belxbigen digitalen Funktion

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen einer beliebigen digitalen Funktion einer durch eine Impulfizanl gegebenen Größe sowie auf einen digitalen
Funktionsgenerator zur Durchführung dieses Verfahrens.

Obwohl die vorliegende Erfindung in ihrer /,nwen-
[I nicht darauf beschränkt ist, ist sie besonders gut für die digitale Treibstoffsteuerung von Verbrennungsraaochinen, innbonondere von Gr..'/turbinen geeignet. Bekanntlich muß b^i
öer Troibstoffstouerung von Gasturbinen in Abhängigkeit der

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jeweiligen Geschwindigkeit. als Eil gangr-signal nach ej.;ic:a sich dazu nicht.! inc ar vcrl·al bender vorgegebenen Programm die Treibstoff zu-Tu hr bestirnten !uotriebsbedingungori dor Turbine angepaßt worden. Co nuß sich die TreibstoffSteuerung einer Gasturbine z.B. einen bestirnten Beschleunigunt;:;-programia fügen, während gchscd die der Turbine zugeführbe Treibstoffraenge gegenüber der bein iiormalbetrieb zugüi-ii'-i:.:-- ten Treibstoffmenge riichtlinear verändert wird. Unter rsornalen Betriebsbedingungen der Turbine vjird dio Treibstoffraenge jeweils linear zu auftretenden Geschwindigkeit",änderungen geregelt. Das Beschleunigungsprogramm v;ird iir.ior nur. dann wirksam, wenn sich die eingestellte Treibstoffnenge bereits an der naxiiicil zulässigen Grenze für einen sicheren Turbiiieribetrieb befindet.

Elektrische Punktionsgeneratoren sind bekannt, bei denen im Falle eines linearen Zusammenhanges der erzeugten Punktion mit dem Eingangssignal bisher aovjoiil digitale als auch analoge Verfahren benutzt wurden. Soll dagegen ein beliebig vorgebbares Programm oder eine bestimmte Punktion erzeugt werden, so hat man bisher analoge Verfahren und analog arbeitende Anordnungen benutzt. Andererseits ist es allgemein bekannt, daß digitale Verfahren, und Anordnungen gegenüber entsprechenden analogen Verfahren zahlreiche Vorteile haben-.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine Einrichtung zur elektrischen Erzeugung oder Simulation einer nichtlinearen Punktion anzugeben, mit denen z.B. Steuerungs- und Regelaufgaben der erwähnten Art unter Benutzung digitaler Verfahren und digibaler Bausteine gelor/b worden können.

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Bei einem Verfallron zur Erzeugung einer "beliebigen, άΐ git-al en Funktion einer durch eine Iiirpulszahl Begebenen Größe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die während einer Abtastperiode.empfangenen Eingangsimpulse gezählt v,erden, daß die Pulsfrequenz der EingangsiirpulBe auf mehrere verschiedene .Frequenzen heruntergeteilt v.'ird und daß von diesen Frequenzen mindestenn eine in Abhängigkeit des vom letzten Eingangsimpuls eingestellten Zählerstands als Ausgangsfrequeriz ausgevfählt wird.

liit Hilfe dieses Verfahrens kann ein digitales Ausgangssignal gewonnen werden, das entsprechend einem bestimmten vorgegebenen Programm eine willkürliche nichtlineare Funktion einer unabhängigen Veränderlichen ist, die bei dem erfindungsgenäßei) Verfahren in Form einer Serie von Eingangsimpulsen vorliegt. Die Erfindung gestattet also die wirkungsvolle elektrische Simulation nichtlinearer Funktionen auf besonders einfachem Wege.

Erfindung sieht ferner bei einem digitalen Funktionsgenerator insbesondere zur Durchführung des genannten Verfahrens vor, daß einem Zähler eine einer zu überwachenden GröVSe entsprechende Anzahl von Eir-gangsiiapulken zufüh?.'bsr ist und er der jewei] s empfangenen Impuls zahl entsprechende üusgangssignalc abgibt, daß an den Ausgängen eines von den Eingangsimpulsen beaufschlagten Frequenzteilers mehrere gcgenübex^ der Eingangsfrequenz herabgesetzte Frequenzen abnehmbar sind, und daß die Ausgänge des Zählers mit dem Frequenzteiler durch eine Gatterschaltung mit einem Ausgang vexfciüpft sind, an dein ein von den Ausgangssigna] en des Zählers abhängiges Signal iait einer von dem während ,jedeG /btastintervalls durch die Eingangr.inpulse jeweils erreichten Zäh] or-r.trind bestimmten Frequenz nbnehr.bai' ist.

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Die Erfindung schafft somit einen digitalen - Funktionsgenerator, der .nach Programm ein' Αυ-Sgangrsignal abgeben kann, das eine willkürliche Funktion des zugeführten Eingangs ist. Hierzu kann ein Eingangssignal gleichzeitig einem Zähler "and einem Frequenzteiler aufgegeben werden, die über Logik-Schaltungsmittel verbunden sind, welche das Teilungsverhältnis gemäß dem Zählerstand steuern. Im einzelnen wird dazu gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein digitales Eingangssignal in Form einer Impulsreihe, deren Impulszahl der Größe einer überxvachten unabhängigen Veränderlichen entspricht, nacheinander bzw. seriell auf den Eingang eines Binärzählers gegeben. Der Binärzähler gibt jeweils immer die Zahl der Impulse an, die während jeder Impulsserie den Frequenzteiler durchlaufen haben. Eine mit dem Zähler verbundene Kodierschaltung, deren Eingänge mit den höchstwertigen Ausgängen (entsprechend den Bits höchsten Stellenwertes) des Zählers verbunden sind, steuert das Teilverhältnis, nach dem der Frequenzteiler die durch die Eingangsimpulsreihe gegebene Eingangsfrequenz herunterteilt. Die vom Frequenzteiler abgegebenen Impulse werden seriell einem Ausgangs ζ aiii er zugeführt, der eine durch Teilung der dem Eingang zügeführteh Impulszahl durch einen entsprechend der Verbindung "zwischen der Kodiernchaltung und dem Eingangszähler festgelegten Faktor bestimmte Impulszahl angibt. Die in dem Ausgangszähler eingespeicherte Impulszahl entspricht daher der Anzahl der Impulse jeder einzelnen dem Eingang den Funktionsgenerators zugeführten Impulsserie, geteilt durch den Faktor, der entsprechend der Kodierschaltung von den während jeder Abfrageperiode jeweils durch die Impulse der Eingangsimpulssorie gerade erreichten Zählerntand gr.gebei ist.

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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei jeweils einander entsprechende Bauteile. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung, - ■ , ■ ' .

Fig. 2 ein Schaubild einer gemäß der Erfindung erzeugten Ausgangsfunktion,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Teiles der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird ein Eingangssignal N. gleichzeitig einem Eingangszähler 10 und einem Frequenzteiler 12 zugeführt. Das Eingangssignal N. kann eine Impulsreihe sein, deren Anzahl an Einzelimpulsen der Größe der unabhängigen "Veränderlichen entspricht. Wird die vorliegende Erfindung in,Verbindung mit einer Treibstoffsteuerung "benutzt, so gibt das Eingangssignal IL in Form der Impulsaerie mit der jeweiligen Anzahl der Impulse ein in an sich bekannter Weise erzeugtes Geschwindigkeitssignal einer Maschina an. Der Zähler 10 kann ein Binärzähler mit einem seriellen Eingang und einem parallelen Ausgang sein. V/ie in Verbindung mit Fig. J noch beschrieben wird, gibt der Zähler 10 während jeder Eingaiinnimpulr.nerie die Anzahl der jeweils den Frequenzteiler 12 bereits durchlaufenen Impulse pii.

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Bestimmte ausgewählte Zählstufen des Zählers 10 sind mit einer logischen Verknüpfung oder einer Kodiex*- schaltung 14 verbunden. ¥ie ebenfalls in Verbindung mit Fig. 3 lind· 4· erläutert wird, weist die Kodier.schaltung 14 mehrere 3MIfD- oder andere geeignete logische Elemente als Torschaltungen auf. Die besonderen Zahlerstellungen, denen die Kodierschaltung 14 zugeordnet wird, werden vorherbestimmt und entsprechen z.B. bei Verwendung der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit der Treibstoffsteuerung einer "Turbine vorbestimmten Geschwindigkeiten, die eine nichtlineare Einstellung der größten Treibstoffzufuhr erfordern.

An den Ausgängen der Ko die rs ehalt ung 14 treten mehrere Steuersignale auf, die dem Frequenzteiler 12 zugeführt werden. Diese Steuersignale bestimmen, wie noch beschrieben wird, den Faktor, durch den die Impulszahl einer Eingangsimpulsserie geteilt wird, bevor die Impulse an einen Ausgangszähler 16 gegeben werden. Die Anzahl der in den Ausgangszähler 16 gelangenden Impulse ändert sich daher nichtlinear mit dem Eingangssignal entsprechend einem vorbestimmten Programm, das durch die Verbindungen zwischen der Ko dierschaltung 14 und dem Eingangszähler 10 gegeben ist.

Die jeweilige Anzahl N der in den Aus gangs zähler 16 eingegebenen Impulse ist <Mter eine nichtlineare Funktion der Eingangszahl N- . Diese nichtlineare Funktion ist in dem Diagramm der Fig· 2 als durchgezogene Linie dargestellt· Die gestrichelte linie der Fig. 2 gibt dagegen eine lineare Funktion an, die sich ergeben würde, wenn das Eingangssignal unmittelbar an den Ausgangszählar 16 gegeben würde. Der Zählder 16 kann einen parallelen Ausgang aufweisen, wobei der Zählerstand periodisch abgetastet und für die jeweils er-

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forderlichen ßteuorfunktioneii bemrbst wird* Bei der Anwendung zur digitalen Tir-eibstoffijtoueruug v;ird der Zählerstand cleii Zählers IG zur Angabe dor jeweils hochstzulässigen Trc-eibstoiTEufuhr für den augenblicklichen Betriebsau&and der Turbine benutzt.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird ein der unabhängigen Veränderlichen entsprechendes Ei] ίgangs signal einem ersten Eingang eines UKD-Gatters 20 zugeführt. Das Eingangssignal ist dabei vorzugsweise ein pulslängcmnoduliertes Signal, dessen Länge bzw. Dauer der jeweiligen Größe des überwachten Parameters entspricht. Eine von einem Oszillator oder einem Taktgeber 22 erzeugte hochfrequente Impulsfolge wird dem zweiten Eingang des UND-Gatters 20 zugeführt. Das UND-Gatter 20 läßt daher während der Dauer eines ihm zugeführten Impulses eine Impulsserie von Taktgeber 22 durch, wobei die Anzahl der Impulse dieser Impulsserie proportional z.B. der augenblicklichen Geschwindigkeit eines Fahrzeuges ist, dessen .Antrieb über eine digitale Treibstoffsteuerung verfügt.

Das pulslängenmodulierte Eingangssignal gelangt außerdem an einen astabilen Multivibrator 24-, der auf die V order flanke _t~jedes Eingangsimpulses anspricht und ein an die Rückstelleingänge der Zähler 10 und 16 gegebenes Rückstellsignol erzeugt. Die Ansprechgecchwindigkeit des Multivibrators 24 ist dabei ausreichend groß, damit keiner der durch das UKD-Grtter hindurchgehenden Taktimpulse verlorengeht. Die an Ausgang des UND-Gatters 20 erscheinende Impulsfaerie wird den Zähler 10 und dem Frcyaenzteiler 12 zugeführt. Wie bereits erwähnt, ist der Zi'hler 1-0 als Binärzähler ausreichender Kapazität ausgebildet. Er "c?*nn z.B. als Elf-Bit-

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Zahler aus drei geeignet miteinander verbundenen 4-Bit-Binärzählerstufen aufgebaut sein,- wie sie z.B. unter der TA-penbezeiclinung S8281 von der Firma Signctics-Corporatiori erhältlich sind.

bereits einmahnt, kann die BOd !einschaltung 14 nelirere NAND-Gatter aufweisen. Bei dem hier be sch3.-i ebenen Axinführungsbeir/piel werden viel? NAND-Gatter JO, 52', 3^/;- W-& benutzt. Diese ITiJ]J)-Gatter sind mit be&tiiiiaten ausgewähltem Zählstufen des Zählers 10 verbunden und können z.B. unter der Typenbezeichnung S84-17 von der Signetics-Corporation hergestellte Bauelemente sein. Infolge der Ausv;phl dei· Zählstufen, die mit den Eingängen der NaIID-Gatt er 30, 32, $4- und 36 verbunden sind, spricht jedes NAND-Gatter nur bei bestimmten vorgewählten Zählerständen an, die unterschiedlichen Binärzahlen entsprechen. Jedes FAIiD-Gatter 30, 32, 3^· und 36 kann an seinem -..usgang in an sich bekannter Weise ein Steuersignal abgeben, das d.em Frequenzteiler 12 zugeführt und in weiter unten erläuterter Weise verarbeitet wird.

Wie bereits erwähnt, gelangt die vom UND-Gatter ?0 durchgelassene Impulsserie auch an den Frequenzteiler 12, in dem- jeder Impuls der Eeihe einen astabilen Hultivibrator 40 ansteuert. Außerdem gelangen die an den Fi'equensteilcr 12 gegebenen Impulse an den Eingang einer Teilerkette, die aus in Serie geschalteten bistabilen liultivibratoren 42, 44 und 46 aufgebaut ist. Eine solche Frequenzteilung eines binären Eingangssignales durch mehrere in Serie geschaltete bistabile Schaltungen ist für sich bekannt.

Die an den Multivibrator 42 gegebene Irnpulsserie bewirkt an. seinem Ausgang nur bei -jedem zweiten E-ingangnimpuls cii- Aungangnsigual. Die Ausgang; ?vi gnal e des Huiti-

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vibrators 42 werden an den Eingang des Multivibrators 44 mid außerdem als Steuersignal an einen astabilen Multivibrator 48 gegeben. Infolge dieses Eingangssignales erzeugt der "bistabile Multivibrator 44 an seinem Ausgang ein Signal nur bei jedem vierten Eingangsimpuls der an den Frequenzteiler 12 gegebenen Impulsserie. Das Ausgangssignal des bistabilen Multivibrators 44 wird als Eingangssignal an den bistabilen Multivibrator 46 und außerdem als Steuersignal an einen astabilen Multivibrator 50 gegeben. Der bistabile Multivibrator 46 gibt als Ausgangssignal bei jedem achten Impuls der an den Frequenzteiler 12 gegebenen "Eingangsimpulsserie einen Impuls ab, der den astabilen Multivibrator 52 steuert. Die astabilen Multivibratoren 40, 48, 50 und 52 werden dazu benutzt, die durch, die Frequenzteilung der Eingangsimpulsserie entstehenden Ausgangsimpulse zueinander zeitlich mit Abstand anzuordnen. Diese astabilen Multivibratoren verhindern, daher ein zeitliches Überlappen der beim Schalten der einzelnen bistabilen Multivibratoren 42, 44 und 46 auftretenden Impulse.

Der Frequenzteiler 12 weist außerdem UND-Gatter 54, 56, 58 und 60 auf, wobei jeder erste Eingang dieser UND-Gatter mit dem Ausgang des entsprechenden NAND-Gatters des Kodierschaltung 14 verbunden ist. Der zweite Eingang jedes UND-Gatters des Frequenzteilers 12 ist mit dem Ausgang eines entsprechenden astabilen Multivibrators des Frequenzteilers verbunden. Die von den astabilen Multivibratoren 40, 48, 50 und 52 erzeugten Impulse gelangen auf eine Summierschaltung 62, die als ODER-Gatter ausgebildet ist, und anschließend auf den Ausgangszähler 16, jedoch immer nur dann, wenn die zugeordneten UHD-Gatter 54, 56» 58 und 60 durch Steuersignale der Kodierschaltung 14 durchlässig geschaltet sind. Durch

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eine bestimmte Zuordnung dex- die Kodierschaltimg 14 "bildenden Tors ehalt uiigen zu "bestimmten vorgewählten Zähl er· rrb bilden des Zählers 10 v/erden die von dem ems "bisto"bilen und astabilen Multivibratoren aufgebauten Frequenzteiler abgegebenen Impulse in bestirnter Weise summiert, um ein binäres Ausgangssignal zu bilden, das den Jeweils vorpx-ogranulierten Ausgangssignal entspricht.

Dieses Ausgangssignal kann z.B. der in Fig. 2 dargestellten Kurve entsprechen, v/ob ei die verschiedenen Änderungen der Steigung dieser Kurve der Durchschaltung eines zusätzlichen Gatters oder aber einer Kombination zusätzlicher UIJD-Gatter 54-» 56, 58 und 60 entspricht. Um die in Fig. 2 als Kurve dargestellte Funktion mit der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung darzustellen, wird anfangs nur das IMD-Gatter 60 durchlässig geschaltet, so daß die Eirigangsimpulsserie durch die Zahl 8 geteilt an den Ausgangszähler 16 gelangt, v/ird der Zähler 10 in der beschriebenen Weise allmählich vollgezählt, so werden die UIID-Gatter 54-» 56, 58 und 60 entsprechend durchgeschaltet und viieder gesperrt, wodurch sich die in Fig. 2 dargestellte Kurve ergibt. Der steilste Teil für das Ausgangssignal ergibt sich dann, wenn alle vier IMD-Gatter in der Frequenzteilerschaltung 12 durchlässig geschaltet sind. Zwischen diesen beiden Extreiafällen, bei denen entweder nur das IMD-Glied 60 oder aber alle vier ÜHD-Glieder gleichzeitig durchlässig geschaltet sind, ergeben sich noch mehrere Zwischenstellungen, bei denen eine unterschiedliche Anzahl an Aus gangs impuls en während jeder Abtastperiode einer Eingangsimpulsserie zugeordnet v/ird.

In Fig. 4 ist ein zweites üusführungsbeispiel dec erfindungsEeniäßen Funktionsgenerators dargestellt. Diese jkusführungsforra unterscheidet sich von dem in Fig. 1 und 3 ge-

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zeichneten Aunfuhrung.^be!spiel lediglich in der Art der

iluiig eier an tion Einr^rigszähler 10 gegebenen Imie. B;:i dem in l'ig«. 4 dargestellU-n sveiten AusfulrrinignbpirZpiei dienen öie er ί rl. en drei Zählstufen des ääli-Iors 10 gleichseitig als Zählstufen und als Teil einets durch in i_k-rie ge schaltete l>i stabil α Kippschaltungen gegebenen FrecjucnateilexT.. Diene doppelte Funktion eines Binärzähl.ers int für sich bekannt und erlaubt eine BrliaLtungsvereinfachung, bei der die liultivibrntoren 42, ¹W und 46 des in i'ig. 5 dargestellten Ausfi'hrungr/bcispiels eingespart vjerden. Der in Fig. 4 dargestellte erfindungsgercäße Funktionsgenerator arbeitet jedoch in der gleichen Weise v;ie die Ausführung gemäß Fig. 3·

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich zu deren Erläutellung, so daß verschiedene Schaltungsänderungen und auch Modifikationen möglich sind, ohne daß der liahnen der Erfindung verlassen würde. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungsveGentlich sein.

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BAD ORIGiNAL

Claims (8)

1. Λ Ο

   P a t e η t a η s ρ r ü c b c

   Verfahren zum Erzeugen e-iner beliebigen digitalen Funktion einer durch eine Impulszahl gegebenen Größe, dadurch gekennzeichnet , daß die während einer Abtastperiode empfangenen Eingangsimpulse (lij ) gezählt werden, daß die Pulsfi'equenz der Eingangs impulse auf mehrsi-e verschiedene Frequenzen heruntergeteilt wird und daß von diesen Frequenzen mindestens eine in Abhängigkeit des vom letzten Eingangsimpuls eingestellten Zählerstands als Ausgangsfrequenz ausgewählt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine der ausgewählten Ausgangsfrequenz entsprechende Anzahl \~on Impulsen gezählt wird.
3. 3· Digitaler Funktionsgenerator, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß einem Zähler (10) eine einer zu überwachenden Größe (H-) entsprechende Anzahl von Eingangsinpulsen zuführbar int und er der jeweils empfangenen Impulszahl entsprechende Ausgangssignale abgibt, daß an den Ausgängen eines von den Eingangsimpulsen beaufschlagten Frequenzteilers (12) mehrere gegenüber der Eingangsfrequenz herabgesetzte Frequenzen abnehmbar sind und dab die /usgänge des /Wählers mit den Frequenzteiler durch eine'Gatterschaltung (54-, !>6, 58, 60, 6.°) r.iit ei ecm Aurgi-aig verknüpft sind, nn dem ein von den /msgangrsipialen der. Zählers abhängiges £3J gnal mit einer you (ion während _tjedor ^btastintorvalls durch die Eingangs j npuJ.re jeweils erreicht ο υ Zählerstand bestimmten Frequenz abnehmbar ist.

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4. 4. Funktionsgenerator nach .Anspruch 3, dadurch g e -

   kennzeichnet , daß eine mit Ausgängen dec Zählers (10) verbundene ''Kodierschaltung (14-) vorgesehen ist, mit der vorbestimmten Ausgangssignalen des Zählers zugeordnete Steuersignale 'für die Gatterschaltung (54, 56> 58, 60, 62) erzeug"bar sind,und daß mehrere zur Gatterschaltung gehörende erste Torschaltungen (54-, 56, 58? 60) jeweils mit einem Ausgang des Frequenzteilers (12) und mit einem der die Steuersignale abgehenden Ausgänge der Kodierschaltung (14)- verbunden sind.
5. 5· Funktionsgenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch

   gekennzeichnet , daß der Zähler (10) ein Binärzähler mit seriellem Eingang und parallelem Ausgang ist.
6. 6. Funktionsgenerator nach Anspruch 4 oder 5₅ dadurch

   g e ken η zeich net , daß die Kodierschaltung (14) mehrere zv.'eite Torschaltungen (30, 32, 34, 36) auf v/eist.
7. 7· Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche A bis 6,

   dadurch gekennzeichnet , daß die Gatterschaltung eine die Ausgangssignale verschiedenen Frequenz aller ersten Torsclialtungen (54-, 56, 58, 60) summierende v/eitere Torschaltung (62) aufweist.
8. 8. Funktionsgenerator nach einem der Ansprüche 3 bin 7»

   dadurch gekennzeichnet , daß der Frequenzteiler (12) eine "binäre Toilerschalttmg ist.

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