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Digitales Simulatorsystem Die Erfindung betrifft ein flexibles, aus
drei Pultversionen bestehendes digitales Simulatorsystem, dessen Anwendungsbereiche
auf dem Gebiet der digitalen Elektronik praktisch kaum begrenzt sind. Es eignet
sich sowohl für das Selbststudium und den Gruppenunterricht, als auch für Entwicklungs-
und Forschungsarbeiten im Labor und gewährleistet vor allem durch seine Praxisnähe
einen mühe- und reibungslosen Übergang vom Lehr- und Lernbetrieb zum Industrieeinsatz.
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Dieses digitale Simulatorsystem setzt sich aus den drei Pultversionen
DIGSI I, DIGSI II und DIGSI III zusammen (DIGSI steht hier als Abkürzung von "Digitaler
Simulator") und dient dem Zweck, die zum Teil antiquierten, undurchschaubaren und
voltminösen Laborbrettschaltungen durch ein flexibles, steckbares, leicht bedien-
und modifizierbares Bausteinsystem zu ersetzen. Seine in den verschiedenen Bausteinen
untergebrachten, vorwiegend digitalen Schaltungen sind zwar vorzugsweise durch integrierte
Schaltkreise (IC's) der verschiedenen Logikfamilien bei unterschiedlichstem Integrationsgrad
realisiert, doch ist der Einsatz diskreter elektrischer und/oder elektronischer
Bauelemente zur Lösung spezieller Schaltungsprobleme keinesfalls ausgeschlossen;
die Anzahl der in.
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den steckbaren Bausteinen einsetzbaren diskreten Bau elemente ist
dabei nur durch die normierte Geometrie der Bausteine begrenzt. Dieses System gestattet
es nun, die einfachsten Experimentierschaltungen - fußend auf den Grundfunktionen
der logischen Algebra - und die kompliziertesten, rechnergestiitzten Laboraufbauten
in kürzester Zeit zu erstellen. Mit seiner Hilfe werden sowohl in der Geräteteclmik
(hardware) als auch bei der Planungsarbeit
(software) übersichtliche
und wirtschaftliche Lösungen erzielt, wobei mit dieser rationalisierten Technik
gleichzeitig die Entstehung von wertlosen Museen aus nutzlosen Brettschaltungen
erfolgreich unterbunden wird. Das mit diesem System auch die Möglichkeiten zur Ausbildung
von qualifizierten Fachkräften der elektronischen Datenverarbeitung geboten sind
ist offensichtlich und dieser Punkt kann beim heutigen chronischen Mangel an Mitarbeitern
auf diesem Gebiet nicht hoch genug bewertet werden.
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Einrichtungen dieser und ähnlicher Art werden in zunehmendem Maße
auf dem Markt angeboten, doch sind die bisher bekannten Ausführungen kaum praxisnahe
ausgelegt.
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D.h., yrinzipiell lassen sich mit ihnen wohl die Grundlagen der digitalen
Schaltalgebra erlernen, doch schon bei der Lösung'der ersten praktischen Aufgabe
stolpert der Benutzer, da der nahtlose Übergang zwischen Theorie und Praxis fehlt
und erst eine neue Einarbeitung, z.B.
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in die einzusetzende Logikfamilie, erforderlich ist.
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Der Grund hierfür liegt einerseits im Aufbau der verwendeten Bausteine
für das spezielle Simulatorsystem, zum anderen in seiner Ausführung selbst. So sind
z.B. dererlei Baukästen so konzipiert, daß die einzelnen digitalen Schaltungen als
Bausteine fest und starr in ihrer Belegung unterhalb einer Steck- bzw. Programmierplatte
montiert sind; dadurch wird in Bezug auf kürzeste Verbindungen zwischen den einzelnen
Anschlußpunkten der Bausteine kein optimaler Schaltungsaufbau möglich, eine Erweiterung
oder Anpassung des Sortiments an digitalen Schaltkreisen , an bestimmte Anwendungsanforderungen
oder neuere Technologien ist ausgeschlossen und in vielen Fällen kann weder zeitlich
noch topologisch ein echter Betrieb simuliert werden. Die in anderen Baukästen steckbar
angeordneten Bausteine enthalten wiederum nicht genügend Informationen wie Schalt
symbole, Kontaktbelegungsschema, Hinweise auf die Logikfamilie, optische Anzeige
des Zustandes relevanter Ausgänge usw. oder aber sie eignen
sich
nicht weder zur Aufnahme aller Schaltkreistypen handelsüblicher Logikfamilien noch
diskreter elektrischer und elektronischer Bauelemente. Andere Bausteinausführungen
sind dagegen so voluminös, daß aus Platzmangel nur wenige Bausteine auf der Trägerplatte
Platz finden - sich also nur triviale Aufgaben lösen lassen und die zum Teil nicht
im Echtzeitbetrieb, da die Verbindungsleitungen zu lang sind und so unzulässige
Signallaufzeiten bewirken.
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Ein weiterer gravierender Nachteil bekannter Ausführungen von digitalen
Simulatorsystemen ist ihre Unfähigkeit, mit digitalen Ziffernrechenmaschinen zusammenzuarbeiten
(computer aided design), um so auf diese Weise einen optimalen Simulatorbetrieb
gewährleisten zu können; in diesem Zusammenhang erweist sich als weiterer Nachteil
bekannter Ausführungen, daß mit ihnen keine schnelle, leitungsgebundene, periphere
Datenübertragung erfolgen kann, eine Eifigenschaft, die sich bei Simulationsarbeiten
an fertigen Geräten sehr störend auswirkt. Vielleicht noch unangenehmer sind aber
bei derlei Arbeiten Verkopplungen und Masseschleifen über die Stromversorgung des
Gerätes an dem simuliert werden muß und der Stromversorgung-des Simulators selbst.
Hier schafft nur eine batteriegespeiste Stromversorgung Abhilfe, die in vielen dieser
Anwendungsfälle fast unumgehbar ist. Ein solcher Batteriebetrieb eines digitalen
Simulatorsystemsbirgt aber gerade in Lehr- und Lernbetrieben noch weitere Vorteile
in sich.
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Die Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz bietet dem Benutzer nämlich
größten Berührungsschutz und eliminiert das Steckdosenproblem, da gerade in Schulen
nicht an jedem Arbeitsplatz (Schulbank) mit einem Netzanschluß zu rechnen ist. Bleibt
man bei den Schulverhältnissen, so sind weitere Nachteile bekannter Ausführungsformen
digitaler Simulatorsysteme darin zu sehen, daß sie aufgrund ihrer Geometrie und
ihres Formats nicht wie Bücher gestapeln werden können, da eine Schutzhaube fehlt,
dm auch bei aufgesteckten Schaltungen die Baukästen leicht aufeinander
stellen
zu können und daß sie keinerlei Mög'lichkeiten zur Aufbewahrung von Bausteinen,
Verbindungsleitungen, Handbüchern usw. innerhalb des Simulatorgehäuses aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es folglich, alle die zuvor geschilderten
Nachteile bei den zur Zeit bekannten Ausführungen digitaler Simulatorsysteme zu
eliminieren und ein digitales Simulatorsystem vorzuschlagen, das aus drei Pultversionen
(DIGSI I, DIGSI II, DIGSI III) besteht und das dann sowohl alle Probleme im Lehr-
und Lernbetrieb als auch in der Industrie beim Arbeiten mit digitalen Schaltkreisen
auf übersichtliche und rationelle Weise unter Einbeziehung aller bekannten Hilfsmittel
der modernen Datenverarbeitung löst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vorzugsweise
drei in ihrer Wirkungsweise und Anwendungsmöglichkeiten sich ergänzende Simulatorversionen
in Pultgehäusen vorgesehen sind, deren Trägerplatten sich aus einer einfach kaschierten
oder als Multilayer aufgebauten Leiterplatte zur Aufnahme der Steckkontakte, der
Schalttransistoren für die optischen Anzeigen und der Siebmittel für die Stromversorgung
der steckbaren Bausteine und einer, Symbole zur Markierung der Steckplätze tragende
verstärktenResopaldeckplatte zusammensetzen, wobei diese Trägerplatten so ausgebildet
sind, daß sie alle Typen der gekapselten, ebenfalls eine kaschierte Leiterplatte
zur Aufnahme von elektrischen und elektronischen Bauelementen nebst zugehörigen
Steckkontakten besitzenden und in ihrer Geometrie normierten Bausteine aller drei
Simulatorversionen aufnehmen können, wobei die Bausteine selbst auf ihrer Voflderseite
ihr kennzeichnendes, durch eine transparente Plexiglasplatte geschütztes Schaltsymbol,
ihr Kontaktbelegungsschema, ihre der Logikfamilie zugeordnete Schaltkreiskennzahl,
ihre Ein- und Ausgänge, zum Teil in paralleler Form, optische Anzeigen des Zustandes
relevanter Ausgänge und Steckkontakte für Betriebs- und Bezugspotential der digitalen
Schaltung aufweisen, daneben auf ihrer
RückseiteXi.a. vier Steckkontakte
zur Zuführung der Betriebsspannungen'und zur mechanischen -Halterung der Bausteine
auf der Trägerplatte der Pultgehäuse in einer solchen Anordnung tragen, daß ein
falsches Aufsetzen der Bausteine auf die Trägerplatte nicht möglich ist und daß
alle drei Simulatorpultgehäuse eine abklappbare Rückseite besitzen, die entweder
eine netz- oder batteriegespeiste Stromversorgung aufweist und daß die, 24 Bausteine
aufnehmende Trägerplatte der Simulatorversion 1 vorzugsweise für Bausteine geeignet
ist, die i.a. als Grundbausteine der digitalen Schaltalgebra bezeichnet werden und
die vorzugsweise alle mit dem gleichen integrierten Schaltkreistyp und entsprechenden,
bausteininternen Verbindungen realisiert werden, wobei der integrierte Schaltkreis
aus einer Logikfamilie mit äußerst geringer Verlustleistung (C-MOS) stammt und die
optische Anzeige über Gasentladungsröhren im Baustein erfolgt, deren Betriebsspannung
über einen ebenfalls auf der abklappbaren Rückwand des Pultgehäuses montierten Gleichspannungswandler
erzeugt wird und daß die Simulatorversion 2 eine Trägerplatte im Format 2 x DIN
A4 zur Aufnahme von 48 gekapselten Bausteinen, jeweils bestückt mit einem integrierten
Schaltkreis aus den handelsüblichen Logikfamilien, separate optische Anzeigen, kontaktbestückte
Leiterbahnen in Form eines Koordinatennetzes mit Verteilerschienen und vorzugsweise
drei Steckverbinder mit Anschlußfeldern zur Aufnahme gedruckte Leiterkarten aufweist
und daß weiterhin die Simulatorversion 3 ebenfalls eine Trägerplatte im Format 2
x DIN A4 hat, die aber neben 24 gekapselten Bausteinen noch sämtliche Bedien-, Anschluß-
und Anzeigeelemente eines eingebauten Kleinrechners nebst mehreren digitalen Integratoren
(DDA) trägt, sowie Adaptionsmöglichkeiten zum Anschluß der in der EDV üblichen Peripheriegeträte:
und gedruckten Leiterkarten. Die Vorteile dieser Erfindung bestehen insbesondere
darin, das Nachwuchsproblem bei der Datenverarbeitung durch die praxisnahe Ausbildung
von qualifizierten Fachkräften zu lösen, einen naht- und reibungslosen Ubergang
von der Theorie zur Praxis
digital arbeitender Schaltungen und Geräte
zu gewährleisten, Laborbrettschaltungen zu eliminieren und letztlich dem Schaltungsentwickler
Hilfsmittel in die Hand zu geben, die immer den neuesten integrierten Schaltkreisen
- bei beliebigem Integrationsgrad und Technologie - angepaßt werden können. Gleichzeitig
soll in zunehmendem Maße die Möglichkeit geboten werden, digitale Ziffernrechenmaschinen
mit in diese Hilfsmittel einzubeziehen, so daß auch kompliziertere Entwicklungsaufgaben
geräte- und planungsmäßig in kürzester Zeit wirtschaftlich lösbar sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. la Das Pultgehäuse nebst Schutzhaube der Simulatorversion
4 (DIGSI I).
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Fig. ib Das Pultgehäuse nebst Schutzhaube der Simulatorversion 2.
(DIGSI II).
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Fig. tc Das Pultgehäuse nebst Schutzhaube der Simulatorversion 3 (DIGSI
III).
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Fig. 2 Den Aufbau der Trägerplatte des Pultgehäuses.
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Fig. 3 Die Teilansicht der gedruckten Leiterplatte der Trägerplatte.
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Fig. 4 Den prinzipiellen Stromlaufplan des Gleichspannungswandlers.
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Fig. 5a, Fig. 5b Die Vorderseiten zweier Bausteintypen.
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Fig. 6 Den Schnitt durch einen Baustein.
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Um sowohl den i.a. bescheidenen Bedürfnissen und Wünschen eines Anfängers
in der Digitaltechnik, als auch den zum Teil hochgeschraubten Anforderunge-n eines
erfahrenen Entwicklers aus der Industrie gerecht zu werden, setzt sich das digitale
Simulatorsystem erfindungsgemäß aus drei Simulatorversionen zusammen, die aufeinander
aufbauen und sich gegenseitig ergänzen. Nachfolgend werden diese drei Simulatorversionen
gemäß ihrem Grad an elektrischer und mechanischer Komplexität DIGSI I, DIGSI II
und DIGSI III genannt. Diese digitalen Simulatorensind gemäß Fig. ia, Ib, ic in
Pultgehäusen vom Format DIN A4 bzw. 2 x DIN A4 installiert, wobei das bei allen
Pultgehäusen schräggestellte Arbeits- bzw. Programmierfeld einen sehr guten Überblick
über die aufgesteckte Schaltung gewährt und wesentlich zur leichten Handhabung beim
Schaltungsaufbau beiträgt.
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Eine abnehmbare Schutzhaube stellt die Rechteckform aller Pultgehäuse
wieder her, damit sie leicht bei minimalem Platzbedarf gestapelt werden können,
bietet weiterhin die Möglichkeit, auch bestückte Pultgehäuse - ohne die Steckkontakte
bzw. die Bausteine zu beschädigen - stapeln zu können und dient schließlich zur
Aufbewahrung von Betriebsanleitungen, Lehrbüchern und dergleichen.
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Die Pultgehäuse aller drei Simulatorversionen setzen sich aus dem
eigentlichen Gehäuse, der Montageplatte zur Aufnahme sämtlicher Bedienelemente nebst
Steckverbindern mit zugehörigem Anschlußfeld, der Trägerplatte (Programmierplatte)
für die steckbaren-Bausteine, der abklappbaren Stromversorgungsplatte, die gleichzeitig
einen Teil der Rückseite des Pultgehäuses darstellt und einem herausziehbaren Einschub
zusammen. Einige Bedienelemente der' Stromversorgungsplatte wie Netzschalter, Sicherung,
Kontrolllampe und Polaritätsschalter - er fixiert die Polarität der an den Bausteinen
anzulegenden Betriebsspannung entsprechend der eingesetzten Logikfamilie - befinden
sich neben der Trägerplatte auf der Vorderseite der Pultgehäuse.
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Die Montageplatte von DIGSI II trägt drei Steckverbinder mit zugehörigem
Anschlußfeld zur Aufnahme von gedruckten Leiterplatten. Dabei bilden Steckverbinder
und Anschlußfeld eine mechanische Einheit, die als Ganzes leicht ausgetauscht werden
kann, so daß die verschiedensten Steckverbindertypen einsetzbar sind, um einerseits
Leiterkartenprüfungen durchzuführen oder den Simulator in seinem Schaltkreisumfang
erweitern zu können.
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Bei der Version DIGSI III trägt diese Platte dagegen vorwiegend alle
Zubehörteile für den eingebauten Rechner wie Rechneranzeige, Rechnertastatur für
die Handeingabe sowie Bedien- und Prüfelemente nebst das Anschlußfeld, das die Verbindung
zwischen Rechnerein- bzw. -ausgabe und den auf der Trägerplatte gesteckten Bausteinen
Berstellt. Bei Bedarf sind auch hier die entsprechenden Steckverbinder nebst Anschlußfeld
austauschbar montiert.
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Die Trägerplatte(Fig. 2>- auch Programmier- bzw. Arbeitsplatte
genannt - jeder Simulatorversion besteht aus einer gedruckten Leiterplatte, einfach
kaschiert oder in Multilayertechnik und einer mit Phenoharz-Hartpapier verstärkten,
mehrschichtigen Resopaldeckplatte. An ihrer Rückseite ist die gedruckte Leiterplatte
über Distanzrollen angeschraubt.
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Die gedruckte Leiterplatte (Fig. 3) trägt die Steckkontakte zur mechanischen
Halterung und Spannungsversorgung der Bausteine, weiterhin die Transistorverstärker
für die optische Anzeigen, Siebmittel zur niederohmigen Spannungszuführung an die
digitalen Verbraucher sowie zur Unterdrückung von Spannungsspitzen auf Betriebsspannungs-
und Masseleitungen und ein mit Steckkontakten bestücktes Koordinatennetz zur Reduzierung
der Verbindungsleitungen auf der Trägerplatte samt zugehörigen Verteilerschienen,
die als Expander für viel benutzte Aus- bzw. Eingänge digitaler Schaltungen eingesetzt
werden.
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Die Resopaldeckplatte trägt die durch eine Umrandung mit eingeschriebener
Platznummer markierten Steckplätze zur Aufnahme der Bausteine und schließt das Pultgehäuse
nach vorne ab. Zusätzlich bietet sie auf Grund ihrer mechanischen Stärke (> 3
mm) den Steckkontakten der gedruckten Leiterplatte eine mechanische Führung, so
daß diese beim Aufstecken der Bausteine weder umgebogen noch abgeknickt werden können.
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Die gesamte Trägerplatte ist abnehmbar montiert und stellt, wie schon
angedeutet, das Programmierfeld für die 28 bzw, 48 aufsteckbaren Bausteine dar.
Diese sind zwar in ihrer Geometrie normiert, können aber prinzipiell auf jeden der
Steckplätze aufgesetzt werden, 56 daß ausammengehörige Bausteine auch nebeneinander
angeordnet sind, um so zu kürzesten Verbindungsleitungen zu gelangen. Somit können
auch -sehr hohe Taktfrequenzen bzw. steile Impulsflanken verarbeitet werden1 ohne
daß Schwierigkeiten wegen Laufzeitverzögerungen oder Impulsverformungen zu erwarten
sind, zumal wenn mit symmetrischen, verdrillten Doppelleitungen gearbeitet wird.
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Die Stromversorgung befindet sich auf der Stromversorgungsplatte,
die wahlweise Batterien, netzgespeiste Regelverstärker oder lediglich Buchsen für
eine externe Spannungseinspeisung enthält, wobei aus Gründen der Betriebssicherheit
noch Ablösedioden und Filternetzwerke vorgesehen sind.
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Diese abklappbare Stromversorgungsplatte ist leicht zugänglich an
der Rückseite der Pultgehäuse montiert und enthält auch noch den Gleichspannungswandler
zur Erzeugung der Betriebsspannung für die Gasentladungsröhren, die zur optischen
Anzeige auf den Bausteinen dienen, dje für geringste Verlustleistungen ausgelegt
sind Der Gleichspannungswandler gemäß Fig. 4, ebnSalls auf einer gedruckten Leiterplatte
aufgebaut, arbeitet mit einem frei sehmsingen den Oszillator, der im Start-Stop
Betrieb getastet wird, um einen maximalen Wirkungsgrad zu erzielen. Der Oszillator
steuert im Gegentakt die beiden Zerhackertransistoren Q1
und Q2
an, der auf der Primärseite mittelpunktgespeiste Transformator T setzt die zerhackte
Batteriespannung UB hoch, die dann nach einer Spannungsverdopplung über Cl durch
die Dioden Di und D2 gleichgerichtet und über C2 abgepuffert wird. Lädtsich der
Kondensator C2 dann auf die zum Betrieb der Gasentladungsröhren benötigten Spannung
UL auf, so zündet die als Referenzelement dienende Gasentladungsröhe G1, die mit
den Bausteingasentladungsröhren typengleich ist und steuert den Transistor Q3 durch,
der daraufhin den Oszillator blockiert, bis die Ausgangsspannung UL unter einen
Minimalwert abgesunken ist. Die Referenzgasentladungsröhre erlischt nun, Q3 wird
wieder gesperrt und der Oszillator schwingt wieder selbstständig an. Durch diesen
geschalteten Betrieb läßt sich ein optimaler Wirkungsgrad des uAeich3pannungswandlers
erreichen, was bei Batteriebetrieb sehr wichtig sein kann.
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Um auch Schwankungen der Zündspannungswerte der Gasentladungsröhren
aufgrund der inhärenten Typenschwankungen sicher zu eliminieren, wird die Ausgangsspannung
UL auf einen Wert UL' = UL 2 heruntergeteilt, bevor sie auf die Referenz-12 gasentladungsröhre
gegeben wird.
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Den unteren Teil des Pultgehäuses füllt ein herausziehbarer Einschub
aus, der zur Aufnahme von Bausteinen und Verbindungsleitungen dient.
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Als Bausteine (Fig. 5a, 5b) werden im beschriebenen digitalen Simulatorsystem
mechanisch gekapselte, in ihrer Geometrie normierte Steckeinheiten eingesetzt. Sie
bestehen aus einer gedruckten Leiterplatte zur Aufnahme der Steckkontakte, der integrierten
Schaltkreise und/oder diskreter elektrischer und elektronischer Bauelemente, der
optischen Anzeige des Zustandes eines digitalen Ausganges, einer Bodenwanne und
einem Deckelgehäuse. Diese tragen je eine angespritzte Nase bzw. Nute, die den Baustein
gemäß Fig. 6 mechanisch einwandfrei zusammenhalten, so daß eine Beschädigung der
im Baustein
untergebrachten digitalen Schaltung ausgeschlossen
ist. Die Frontseite des Bausteines trägt das unverwischbar angebrachte Schaltungssymbol,
das Kontaktbelegungsschema nebst Kontaktnumerierung, die Schaltkreiskennzahl gemäß
der eingesetzten Logikfamilie und weist Aussparungen für die optische Anzeige nebst
allen Steckkontakten, an die sämtliche Eingänge und Ausgänge der-digitalen Schaltung
im Baustein geführt sind, auf. Um nun auch von einem Ausgang beliebig viele Eingänge
speisen zu können, werden die Eingangssteckkontakte zum Teil als Zwillingskontakte
ausgeführt. Speziell für den Anfänger kann diese Frontplatte noch beliebig eingefärbt
werden, so daß z.B eine Zuordnung Rot -^ Konjunktion entsteht, was eine wesentliche
Erleichterung bei der Einarbeitung in die digitale Schaltalgebra darstellt.
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Die Rückseite der Bausteine trägt i.a. vier Steckkontakte, die zur
mechanischen Halterung und Spannungsversorgung der Bausteine dienen; ihre Anordnung
ist dabei so gewählt, daß ein falsches Aufstecken der Bausteine auf die Trägerplatte
mit Sicherheit unterbunden und eine Zerstörung der Bausteine durch falsche Polung
er Betriebsspannung ausgeschlossen ist. Die gedruckten Leiterplatten der Bausteine
können alle handelsüblichen integrierten Schaltkreise (IC's) der gängigen Logikfamilien
bei beliebigem Integrationsgrad der IC's und alle, die Geometrie der Bausteine nicht
verletzende diskrete Bauelemente aufnehmen.
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Das Sortiment dieser Bausteine kann auf diese Weise laufend entsprechend
den Anforderungen und dem Stand der Technik erweitert werden.
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Die Verdrahtung der Bausteine untereinander und mit den Steckkontakten
der Trägerplatte de-s Pultgehäuses erfolgt einerseits über das schon erwähnte Koordinatennetz,
die Verteilerschienen und weiter über Eindraht- bzw. verdrillte symmetrische Zweidrahtleitungen,
die mit den gleichen Steclskontakten wie alle gedruckten Leiterplatten und Anschlußfelder
bestückt sind. Durch den Einsatz dieser
Doppelleitungen, die entweder
über den invertierenden und den nichtinvertierenden Ausgang oder nur über den jeweils
vorhandenen Ausgang und der Masseleitung der digitalen Schaltung gespeist werden,
kann die Übertragungsfrequenz auch bei langen Verbindungsleitungen enorm gesteigert
werden, 80 daß mit dem geschilderten digitalen Simulatorsystem in fast allen Anwendungsfällen
ein Realzeitbetrieb möglich ist.