DE2200159A1 - Matrixschalter - Google Patents

Description

2200158

02-4509 Ge Offenbach am Main,

den 30. Dezember 1971

HONEYWELL INC.
2701 Fourth Avenue South
Minneapolis, Minn., USA

Matrixschalter

Die Erfindung betrifft digitale Matrixschalter mit in Zeilen und Spalten organisierten Schaltelementen. Jedes der Schaltelemente kann zwei Schaltzustände einnehmen, derart, daß im einen Zustand eine Verbindung hergestellt und im anderen Zustand eine Verbindung unterbrochen wird. Ein einer bestimmten Spalte zugeführtes digitales Eingangssignal wird je nach Schaltzustand des Schaltelements an der entsprechend ausgewählten Zeile erscheinen oder nicht erscheinen. Schalter dieser Art in mechanischer oder elektromechanischer Ausführung sind bekannt und werden vielfach als Kreuzschienenschalter oder Kreuzschienenverteiler bezeichnet. Sie können sowohl analoge als auch digitale Signale übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rein elektronischen Matrixschalter zu schaffen, der keine Energie zur Aufrechterhaltung seines gerade vorhandenen Schaltzustandes benötigt. Solche Matrixschalter finden zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in Fernschreibern, Schaltverbindungen für Digitalrechner, Verschlüßlern, Kodeumsetzern, z.B. Binär/Dezimal-Kodeumsetzorn, Abtastvorrichtungen und Multiplexanordnungen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß jedes Schaltelement aus zwei zerstöi'ungsfrei lesbaren Magnet-2lementen besteht, welche Ausgangssignale mit von ihren Schaltgustand abhängiger Polarität liefern, daß Zeilen- und Spalten-

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treiberschaltungen zur koinzidenten Auswahl eines Schaltelements und zur Umschaltung des einen Magnetelements in diesem angewählten Schaltelement vorgesehen sind, während das andere Magnetelement jedes Schaltelements ständig im gleichen Schaltzustand verharrt, daß Spaltentransfertreiberschaltungen zum Lesen des Schaltzustandes aller Schaltelemente in der angewählten Spalte vorhanden sind und daß die Ausgänge der beiden Magnetelemente jedes Schaltelements an Zeilentransferleseschaltungen für die einzelnen Zeilen angeschlossen sind. Als Magnetelemente finden vorzugsweise Dünnschicht-Magnetdrähte Verwendung. Jedes Schaltelement, bestehend aus zwei Magnetelementen, kann somit in einen Verbindungs- oder einen Unterbrecherzustand geschaltet werden, in welchem die beiden Magnetelemente entweder den gleichen oder den entgegengesetzten Magnetxsierungszustand aufweisen. Da die Ausgänge beider Magnetelemente jedes Schaltelements an eine Zeilentransf erleseschaltung angeschlossen sind, werden sich je nach Zustand der beiden Magnetelemente ihre Ausgangssignale entweder summieren oder gegenseitig aufheben.

Typisch für ein Magnetelement ist, daß es kein Ausgangssignal mit einer Gleichstromkomponente erzeugen kann, sofern nicht eine Diode oder ähnlich wirkende Schaltung in seinem Ausgangskreis vorhanden ist. Beim Lesen erzeugt jedes zerstörungsfreie lesbare Element einen Ausgangsimpuls zu Beginn des Lesesignals und muß folglich einen entsprechendem Impuls entgegengesetzter Polarität am Ende des Lesesignals entstehen lassen. Somit erzeugt jedes Schaltelement, wenn es sich im Verbindungszustand befindet, eine Folge von Impulsen abwechselnder Polarität entsprechend den Anfangs- und Endzeitpunkten der Lesesignale. Im Unterbrecherzustand erzeugt ein Schaltelement überhaupt kein Ausgangssignal. Diese Impulse können zur Speisung eines Flip-Flops in jeder Zeile verwendet werden, dessen Zustand somit den Eingangssignalen des Matrixschalters folgt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß der Betrieb des Matrixschalters insofern asynchron ist, als keine Zeitgeber- oder Rückstellsignale benötigt

werden. Außerdem können die Eingangssignale zu jeder beliebigen Zeit auftreten und jede beliebige Länge haben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Zur Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf einige in den Zeichnungen wiedergegebene Ausführungsbeispiele Bezug genommen, wobei Figur 1 teils in Form eines Blockschaltbildes einen 3x3 Matrixschalter,

Figur 2 einige zugehörige Signalkurven, Figur 3 einen Ausschnitt aus einer ersten abgewandelten Ausführungsform und

Figur einen Ausschnitt aus einer zweiten abgewandelten Ausführungsform wiedergibt.

In Figur 1 besteht der Matrixschalter aus einer Matrix von drei Dünnschicht-Magnetdrähten 10, 10' und 10", welche die Zeilen der Matrix bilden und drei Paaren von Leiterstreifen 11 und 12, II¹ und 12¹ sowie 11" und 12" _B welche die Kolonnen bilden. Die Zeilen und Kolonnen zusammen ergeben neun Schaltelemente, von denen eines, nämlich das Schaltelement 13(,durch eine gestrichelte Umrandung hervorgehoben ist» Ferner sind Setstreiberschaltungen SA und SB, Transfereingangsschaltungen TI und Transferausgangsschaltungen TO vorhanden. Der Schalter hat zwei bestimmte Betriebsweisen, nämlich eine, den sogenannten Setzzustand, während der die Schaltelemente in den gewünschten Schaltzustand gesetzt werden, d.h. entweder den Verbindungs- oder den Unterbrecherzustand einnehmen, und eine andere Betriebsweise, Transferzustand genannt, wenn Digitalsignale einer Spalte zugeführt werden und/den Ausgängen derjenigen Zeilen erscheinen, deren Schaltelemente zuvor in den Verbindungszustand gebracht wurden. Die SetztreiberSchaltungen SA und SB werden während des Setzbetriebes und die Transfereingangs- und Transferausgangsschalngen TI und TO während des Transferbetriebs benutzt.

Jeder Magnetdraht besteht aus einem Leiterdraht, auf den eine dünne magnetische Schicht aufgebracht ist. Diese Schicht besitzt eine magnetische Vorzugsrichtur.g in Umfangsrichtung und jedes Teilstück des Drahtes ist normalerweise in Umfangsrichtung magnetisiert. Jeder Leiterstreifen besteht aus einem flachen Leiter, der in einer langgestreckten U-förmigen Schleife alle Magnetdrähte umgibt. Jeder Drahtabschnitt in unmittelbarer Nähe des Leiterstreifens bildet ein magnetisches Element. Wird ein Strom durch den Leiterstreifen geschickt, so erzeugt dieser Strom allein ein longitudinales Magnetfeld in jedem magnetischen Element und führt somit das vorhandene Magnetfeld in eine schraubenförmig verlaufende Form über. Dies bewirkt eine Abnahme der Gesamtmagnetisierung in Umfangsrichtung und führt daher zu einem Fluß um den Magnetdraht. Dadurch wird im Magnetdraht eine Spannung erzeugt, deren Polarität von der ursprünglichen Richtung der Magnetisierung des Magnetelements abhängt. Demnach ruft ein Strom/über den Leiterstreifen mit einem zeitlichen Verlauf nach Figur 2, über jedes magnetische Element in Abhängigkeit von seiner ursprünglichen Magnetisierung auf den Magnetdraht eine Spannung V_Q oder V hervor. Endet der Strom durch den Leiterstreifen, so kehrt die Magnetisierung in die ursprüngliche Umfangsrichtung zurück und erzeugt dabei einen zweiten Spannungsimpuls entgegengesetzter Polarität. Erhält der Magnetdraht gleichzeitig mit dem Leiterstreifen einen Strom, so hält der Strom durch den Magnetdraht in Abhängigkeit von seiner Polarität entweder die Magnetisierung des entsprechenden Magnetelementes nahezu in seiner ursprünglichen Umfangsrichtung oder kehrt sie aus der einen Schraubenrichtung nach Durchlaufen der Längsrichtung in die andere Schraubenrichtung um. Enden die Ströme in Magnetdraht und Leiterstreifen, so kehrt die Magnetisierung in die entgegengesetzte Umfangsrichtung um. Infolgedessen kann die Magnetisierung irgendeines ausgewählten Elements durch Ströme entsprechender Richtung im Leiterstreifen und im Magnetdraht nach Wunsch in einen der beiden Zustande übergeführt werden.

ο <■> λ /nail.

Hingegen hat der Strom Im Magnetdraht allein auf irgendweiche Magnetelemente,deren Leiterstreifen nicht gleichzeitig auch stromführend sind, keinen hinreichenden Einfluß auf deren Zustand.

Solche Dünnschicht-Magnetdrähte und Leiterstreifen sind von den digitalen Magnetspeichern her bekannt.

Nach Figur 1 besteht jedes Schaltelement aus zwei magnetischen Elementen. Zum Beispiel da, wo die Leiterstreifen Il bzw. 12 den Magnetdraht 10' kreuzen, entsteht das Schaltelement 13» Der Magnetdraht 10' wird von der Treiberstufe 17° der Setzschaltung SB erregt, die Ströme beider Polaritäten erzeugt?und treibt den Leseverstärker 18', der wiederum den bistabilen Flip-Flop 19' ansteuert» Beide Schaltungen, sowohl der Leseverstärker 18' als auch der bistabile Flop-Flop 19' gehören zur Transferausgangsschaltung TO, Der Leiterstreifen 12 ist mit einem Transistor 15 in der Setzschaltung SA verbunden,und die Leiterstreifen 11 und 12 liegen an einen Transistor 14 der Setzschaltung SÄ und der Transfereingangsschaltung TI, während der Widerstand 16 der Begrenzung der Ströme im Leiterstreifen diente

Der Schalter unterliegt einer ursprünglichen Einstellung des Zustandes. Zum Beispiel werden während der Herstellung die Transistoren 14,14' und 14" sowie die Treiberstufen 17,17' und 17" eingeschaltet um jedes magnetische Element des Schalters in denselben Zustand,der hier als der "1" -Zustand bezeichnet wird, zu versetzen. Das nachträgliche Setzen des Schalters 13 wird dadurch bewirkt, daß der Transistor 15 und die Treiberstufe 17" an die entsprechende Polarität gelegt werden, wodurch das linke Magnetelement des Schaltelementes 13 im "1"-Zustand belassen oder in den entgegengesetzten "O"-Zustand versetzt wird» Die beiden magnetischen Elemente des Schaltelements 13 können sich daher in einem der folgenden beiden Kustandskombinationen befinden

Verbunden: 1 1
Offen : O 1.

Zum Transferbetrieb wird der Transistor 14 eingeschaltet. Dadurch werden die Leiterstreifen 11 und 12 mit einem Strompuls I nach Figur 2 beaufschlagt. Befindet sich das Schaltelement im verbundenen Zustand, dann erzeugen beide magnetische Elemente im Magnetdraht 10' Ausgangsspannungen V. mit einem zeitlichen Verlauf nach Figur 2. Beide Spannungsverläufe sind gleich und werden addiert. Das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers 18' setzt den Flip-Flop 19' durch den ersten Impuls der Wellenform V, in den "1"-Zustand und durch den nachfolgenden zweiten Impuls dieses Spannungsverlaufs in den "O"-Zustand. Auf diese Weise wird em Ausgang des Flip-Flops 19' das Ausgangssignal reproduziert. Befindet sich aber das Schaltelement im offenen Zustand, dann erzeugen die beiden magnetischen Elemente zeitliche Spannungsverläufe nach V bzw. V. . Durch Addition heben sich diese beiden Spannungsverläufe gegenseitig auf, so daß kein Ausgangssignal ansteht und der Flip-Flop 19 somit seinen Zustand nicht ändert.

Wie man erkennt, erfolgt das Setzen eines Schalters in der Weise, daß der Leiterstreifen einer ausgewählten Spalte mit Strom beaufschlagt und alle Treiberstufen 17,17' und 17" unter Beachtung der entsprechenden Polaritäten gleichzeitig eingeschaltet werden. Zum anderen lassen sich auch alle Schaltelemente einer Reihe gleichzeitig offen und dann die ausgewählten Schaltelemente gleichzeitig schließen. In ähnlicher Weise führt die Erregung des Leiterstreifens einer ausgewählten Spalte während des Transfers dazu, daß die ankommenden Signale gleichzeitig mit all jenen (Magnetdrähte 10,10' und 10") gekoppelt werden, deren Schaltelemente sich in dieser Spalte im verbundenen Zustand befinden.

Ein Nachteil der gerade beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß die Treibersignale der Leiterstreifen kapazitiv mit den Magnetdrähten gekoppelt werden und die dabei auftretenden

^s η η η η Λ I f\ ft Π

signale dem Spannungsverlauf nach V_Q oder V ähnlich sind. Daher wird der Betrieb des Matrixschalters unzuverlässig, wenn diese Rauschsignale vergleichbar mit den erwarteten Signalen sind. Dieser Nachteil läßt sich dadurch beseitigen, daß man durch Hinzunahme eines zweiten Leiters für jede Reihe von Schaltelementen eine ausgeglichene Reihenanordnung schafft. Besteht dieser zweite Leiter beispielsweise aus einem Magnetdraht, so wird jedes Magnetelement des Schaltelements verdoppelt. Eine Anordnung dieser Art ist in Figur 3 wiedergegeben, wobei Komponenten die in Figur entsprechende Äquivalente haben, mit Positionszahlen bezeichnet sind, die um 100 höher liegen. In Figur 3 ist lediglich ein einzelnes Schaltelement 113 vollständig wiedergegeben. Jede Reihe besteht hier aus zwei Magnetdrähten 110a und IlQbiUnd die Treiberstufe 117 und der Verstärker 118 sind beide ausgeglichen. Für die vier magnetischen Elemente ergeben sich somit folgende Zustände :

Verbunden; ' 1 1

1 1 Offen 3 O 1

Es sei bemerkt, daß diese Zustände in bezug auf dia Polarität des Ausgangssignals, wie es am Verstärker 118 ansteht, definiert sind. Jedes Paar zweier vertikal angeordneter Elemente wird sich immer gemäß Definition im selben Zustand befinden. Jedoch sind beide Elemente in umgekehrten Richtungen magnetisiert, z.B. eines in Uhrzeiger- und das andere in Gegenuhrzeigerrichtung. Die erwarteten Signale eines jeden Paares vertikal angeordneter magnetischer Elemente werden im Differenzbetrieb immer addiert, während die durch die kapazitive Kopplung entstandenen Rauschsignale phasenmäßig so liegen, daß sie vom Verstärker 118 zurückgewiesen werden.

• den bisher beschriebenen Vorrichtungen waren zwei der magnocischen Elemente in den Schaltelementen horizontal angeordnet.

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"— R —

Es ist jedoch ebenso eine vertikale Anordnung möglich. Eine solche Vorrichtung wird in Figur 4 gezeigt, bei der die Positionszahlen entsprechender Komponenten nach Figur 1 um 200 höher liegen. Im Schalter nach Figur 4 sind eiii einzelner Leiterstreifen 211 für jede Spalte des Schaltelements (so zum Beispiel Schaltelement 213) und zwei Magnetdrähte für jede Reihe, z.B. die Drähte 210a und 210 b vorhanden. Die Reihen-Treiberstufe 217 ist nach wie vor bipolar aber nur mit dem Magnetdraht 210b verbunden,und der Verstärker 218 ist ausgeglichen. Bei Erfordernis wird eine künstliche Scheinlast die gleich der Ausgangsimpedanz der Treiberstufe 217 ist, zur Erhaltung der Gleichgewichtslage mit dem Magnetdraht 210a verbunden. Der Betrieb dieses Systems wird ausreichend durch die nachfolgende Angabe der Zustände der Magnetelemente beschrieben:

Verbunden: 1

1
Offen : 1

O.

Das Magnetelement des Magnetdrahts 210 wird während der Herstellung in den "!"-Zustand versetzt.

Claims (7)

1. Patentansprüche

   'Il Matrixschalter mit in Zeilen und Spalten organisierten Schaltelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement aus zwei zerstörungsfrei lesbaren Magnetelementen (11/1O¹;12/1O') besteht, welche Ausgangssignale mit von ihrem Schaltzustand abhängiger Polarität liefern, daß Zeilen- und Spaltentreiberschaltungen (14,15,17') zur koinzidenten Auswahl eines Schaltelements (z.B. 13) und zur Umschaltung des einen Magnetelements (z.B. 11/10') in diesem angewählten Schaltelement vorgesehen sind, während das andere Magnetelement (z.B. 12/10') jedes Schaltelements ständig im gleichen Schaltzustand verharrt,

   daß Spaltentransfertreiberschaltungen (14,15) zum Lesen des Schaltzustandes aller Schaltelemente in der angewählten Spalte vorhanden sind und

   daß die Ausgänge der beiden Magnetelemente jedes Schaltelements an Zeilentransferleseschaltungen (19) für die einzelnen Zeilen angeschlossen sind.
2. 2. Matrixschalter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnetelemente (11/1O¹;12/10') jedes Schaltelements (13) eine mit beiden Magnetelementen gekoppelte Zeilenleitung (10¹) sowie zwei mit je einem der Magnetelemente gekoppelte Spaltenleitungen (11,12) aufweisen (Figur 1) .
3. 3. Matrixschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement (113) von einer zweiten Zeilenleitung (110b) durchsetzt ist, die beiden Zeilenleitungen (110a,110b) die gleiche kapazitive Kopplung mit den Spaltenleitungen (11,112) aufweisen und die Zeilentransferleseschaltungen (118,119) derart abgeglichen sind, daß kapazitive Gleichtakt-Streusignale von den Spaltenleitungen (11,112) ferngehalten werden (Figur 3).
4. 4. Matrixschalter nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltelement (113) zwei weitere Magnetelemente (ll/110b;112/110b) enthält, welche beide mit der zweiten Zeilenleitung (110b) und einzeln mit je einer der Spaltenleitungen (111,112) gekoppelt sind (Figur 3).
5. 5. Matrixschalter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, äaß die beiden Magnetelemente (211/21Oa 211/21Ob) jedes Schaltelements eine einzige mit beiden Magnetelementen gekoppelte Spaltenleitung (211) sowie zwei mit je einem der Magnetelemente gekoppelte Zeilenleitungen (210a,

   - 210b) aufweisen (Figur 4).
6. 6. Matrixschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß die Magnetelemente durch Dünnschicht-Magnetdrähte gebildet sind.
7. 7. Matrixschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenleitungen Dünnschicht-Magnetdrähte sind.