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Anlage zur Patent anmeldung Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer
analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert Die Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung einer analogen Eingangs spannung in einen
digitalen Ausgangswert.
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Schaltungsanordnungen dieser Art werden auch Analog-Digital-Wandler
genannt. Sie werden z.B. in der Regeltechnik verwendet, wenn das analoge Ausgangssignal
eines Messwertaufnehmers digital weiterverarbeitet werden soll.
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Unter einem digitalen Ausgangswert oder allgemein einem digitalen
Signal sei-im folgendenen eine Impulsfolge verstanden.
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Die zeitlich aufeinanderfolgende Verarbeitung der einzelnen Impulse
stellt eine Serienverarbeitung dar und ergibt eine Frequenz. Die entsprechende parallele
Verarbeitung ergibt als Ausgangswert eine binär-kodierte Zahl.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Analog-Digital-Wandlers
mit großer Genauigkeit und schneller Reaktion auf eine Änderung der Eingangsspannung.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Regelkreis mit einer Reihenschaltung
aus einem Komparator, einem Vor-Rückwärtszähler, einem Zahlen-Frequenz-Wandler,
und mit einer Rückführung über einen Digitai-Analog-Wandler.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung
mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen
und aus der dazugehörigen Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung
eines Analog-Digital-Wandlers, Fig. 2 eine zweite Schaltungsanordnung eines Analog-Digital-Wandlers
Fig. 3 ein stochastischer Vor-Rückwärtszähler für die Schaltungsanordnung nach Fig.
2, Fig. 4 eine Zählrichtungssteuerung für den stochastischen Vor-Rückwärts zähler
von Fig. 3 und Fig. 5 ein stochastischer Rückwärtszähler zur Verwendung in der Schaltungsanordnung
von Fig. 2.
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Die in den Fig. 1, 2, 3 und 5 angegebenen Doppellinien markieren Mehrfachleitungen
zur Übertragung von binären Zahlen.
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Einfache Linien bedeuten demgegenüber einpolige Leitungen und dienen
zur Übertragung einer Frequenz oder eines analogen Spannungswertes.
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In der Fig. 1 ist mit 10 ein Eingang für die zu wandelnde Spannung
bezeichnet. Er ist über einen Widerstand 11 auf einen Plus-Eingang 12 eines Komparators
13 mit'einem Minus-Eingang 14 und einem Ausgang 15 geschaltet. Der Ausgang 15 des
Komparators 13 ist mit einem Eingang 16 eines Vor-RAckwrtszählers 17 gekoppelt.
Einem weiteren Eingang 18 des Vor-Rückwärts zählers 17 ist eine Zählfrequenz fz
zuführbar und ein Ausgang 19 ist mit einem Eingang 21 eines
DDA-Multiplizierers
20 (Digital-Differential-Analyser) verbunden sowie mit einem Zahlenausgang 24. An
einem Eingang 22 des DDA-Multiplizierers 20 liegt eine Frequenz fx an. Das in Form
einer Frequenz vorliegende Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers nach der Fig.
1 steht am Frequenzausgang 25 zur Verfügung.
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Dieser Frequenzausgang 25 ist mit einem Ausgang 23 des DDA-Multiplizierers
20 verbunden und zugleich mit einem Eingang 27 eines Digital-Analog-Wandlers 28.
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Der Digital-Analog-Wandler 28 besteht aus Pegelumsetzer und nachgeschaltetem
RC-Glied. Der Pegelumsetzer wird durch die Reihenschaltung zweier Feldeffekttransistoren
29 und 30.gebildet. Während das Gate 32 des Feldeffekttransistors 29 direkt mit
dem Eingang 27 verbunden ist, liegt zwischen dem Gate 33 des Feldeffekttransistors
30 und diesem Eingang 27 ein Inverter 34. Der Verbindungspunkt 36 zwischen den beiden
Feldeffekttransistoren 29 und 30 ist galvanisch über einen Widerstand 37 mit einem
Knotenpunkt 38 gekoppelt. Von diesem Knotenpunkt 38 aus liegt einmal'ein Kondensator
39 an Masse und zum anderen ist er als Ausgang 40 des Digital-Analog-Wandlers 28
über einen Widerstand 41 auf den Minus-Eingang 14 des Komparators 13 geschaltet.
Die Reihenschaltung der beiden Feldeffekttransistoren 29 und 30 liegt schließlich
noch zwischen Masse und einem Anschluß 42 für eine Referenzspannung.
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Liegt am Eingang 10 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ein analoger
Spannungswert an, so gibt der Komparator 13 an seinem Ausgang ein positives oder
negatives Signal ab entsprechend der Spannung an seinem Minus-Eingang 14. Die Polarität
des Ausgangssignales des Komparators 13 ist bestimmend für die Zählrichtung des
Vor-Rückwärtszählers 17. Für die Zählgeschwindigkeit des Vor-Rückwärtszählers 17
ist die Zählfrequenz fz maßgebend, die am Eingang 18 anliegt. Das in Form einer
Binärzahl erscheinende Ausgangssignal des Vor-Rückwärtszählers 17 steht als Zahl
am Ausgang 24 des Analog-Digital-Wandlers zur Verfügung und liegt gleichzeitig am
Eingang 21 des DDA-Multiplizierers 20. In diesem DDA-Multiplizierer 20 erfolgt nun
eine Multiplikation der Frequenz fx mit dem Ausgangswert des
Vor-Rückwärts
zählers 19. das Ergebnis der Multiplikation erscheint in Form einer Frequenz am
Ausgang 23 des DDA-Multiplizierers 20 und damit am Frequenzausgang 25.
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Bei gleichem Vorzeichen des Ausgangssignales des Komparators 13 zählt
der Vor-Rückwärtszähler 17 fortlaufend in der gleichen Zählrichtung. Damit erhöht
sich auch laufend die Frequenz am Frequenzausgang 25. Da jedoch bei konstanter Eingangsspannung
am Eingang 10 auch ein annähernd konstantes Ausgangssignal in Form einer Frequenz
am Frequenzausgang 25 auftreten soll, wird dieses Ausgangssignal des DDA-Multiplizierers
20 über einen Digital-Analog-Wandler 28 auf den Minus-Eingang 14 des Komparators
13 zurückgekoppelt.
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Im Digital-Analog-Wandler 28 erzeugt eine Frequenz am Eingang 27 ein
periodisches Leiten und Sperren der beiden Feldeffekttransistoren 29 und 30. Der
Kondensator 39 wird damit wechselweise aufgeladen über den Feldeffekttransistor
29 und er.tladen über den Feldeffekttransistor 30. Es stellt sich ein Mittelwert
der Spannung am Knotenpunkt 38 gegen Masse ein, und dieser Mittelwert bildet die
Eingangs spannung am Minus-Eingang des Komparators 13. Ein oberer Grenzwert für
die Spannung am Kondensator 39 ist von der Referenzspannung am Anschluß 42 abhängig;
die Referenzspannung beeinflußt die Steilheit der Kennlinie der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung. Die Welligkeit der Eingangs-Spannung am Minus-Eingang 14 des
Komparators 13 ist durch die Zeitkonstante aus dem Widerstandswert des Widerstandes
37 und der Kapazität des Kondensators 39 bestimmt. Für den Vor-Rückwärtszähler 17
läßt sich vorzugsweise ein Zähler mit dualem Zählsystem verwenden. Dieses duale
System ist jedoch nicht zwingend, sofern gewährleistet ist, daß je nach Eingangssignal
am Eingang 16 des Vor-Rückwärtszählers 17 der Ausgangswert des Zählers entweder
steigende oder fallende Tendenz besitzt. Diese Zuordnung muß infolge der anschliessenden
Multiplikation des Ausgangswertes des Vor-Rückwärts zählers mit der Eingangsfrequenz
fx gewährleistet sein.
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In Fig. 2 ist eine zweite Schaltungsanordnung eines Analog-Digital-Wandlers
dargestellt, jedoch hier mit einem stochastischen Vor-Rückwärts zähler 50 anstelle
des in Fig. 1 verwendeten Vor-Rückwärtszählers 17 mit dualen Zählsystem. Ein Eingang
51 für die Zählrichtung ist auch hier mit dem Ausgang 15 des Komparators 13 gekoppelt.
An einem zweiten Eingang 52 liegt die Zählfrequenz fz an, während'an Ausgängen 53
und 54 das Zählergebnis in Form einer binär kodierten Zahl vorliegt.
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Die Ausgänge 53 und 54 sind in diesem. Beispiel gleichwertig, sie
charakterisieren nur, daß einmal der Zahlenwert selbst einem Ausgang 24 der Schaltungsanordnung
zugeführt wird, und zweitens der Zahlenwert über ein Übernahmegatter 55 auf einen
Eingang 57 eines stochastischen Rückwärtszählers 58 geschaltet ist. An einem Eingang
59 des stochastischen Rückwärts zählers 58 liegt die Frequenz fx an und der Ausgang
6o ist über eine Detektorstufe 61 mit dem Frequenzausgang 25 verbunden. Der Frequenzausgang
25 ist hier über eine Leitung 62 auf einen Eingang 56 des Übernahmegatters 55 zurückgekoppelt.
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Die Rückführung vom Frequenzausgang 25 zum Komparator 13 erfolgt hier
wieder über einen Digital-Analog-Wandler 28 entsprechend der Schaltungsanordnung
von Fig. 1.
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In Fig. 3 ist der stochastische Vor-Rückwärtszähler 50 dargestellt.
Die Eingänge 51 und 52, sowie die Ausgänge 53 und 54, besitzen hier die gleichen
Bezugsnummern wie in der Fig. 2.
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Den stochastischen Vor-Rückwärtszähler 50 bildet eine Reihenschaltung
von 5 D-Flip-Flops 65 bis 69. D-Flip-Flops (Delay-FF) besitzen einen Eingang dessen
anliegendes Signal erst beim nächsten Taktimpuls auf den nichtinvertiespenden Ausgang
durchgeschaltet wird. Ihre Takteingänge 70 bis 74 sind an einer Leitung 75 angeschlossen,
die zum Eingang 52 führt. Die D-Flip-Flops 65 bis 69 besitzen die Eingänge 77 bis
81 sowie Ausgänge 82 bis 86, an denen das Ausgangssignal in nicht invertierter Form
anliegt. Ferner enthält die Schaltungsanordnung
von Fig. 3 fünf
Zählrichtungssteuerschaltungen 88 bis 92 mit Steuereingängen 94 bis 98, Ausgängen
99 bis 1Q3, sowie ersten Eingängen 104 bis 108 und zweiten Eingängen 109 bis 113.
Die Ausgänge 99 bis 103 der Zählrichtungssteuerschaltung 88 bis 93 sind jeweils
mit dem D-Eingang 77 bis 81 der D-Flip-Flops 65 bis 69 verbunden. Die Ausgänge 82
bis 86 derD-Flip-Flops 65 bis 68 sind auf den zweiten Eingang 110 bis 113 der Zählrichtungssteuerschaltungen
89 bis 92 durch geschaltet.
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Die Steuereingänge 94 bis 98 sind zusammengeschaltet und bilden den
Eingang 51 des stochastischen Vor-Rückwärtszählers 50. Ein erstes Äquivalenzgatter
115 ist mit seinem Ausgang 116 an den ersten Eingang 108 der Zählrichtungssteuerschaltung
92 angeschlossen, während ein erster Eingang 117 mit dem Ausgang 82 des Flip-Flops
65 in Verbindung steht und ein zweiter Eingang 118 einmal mit dem Ausgang 85 des
D-Flip-Flops 68 und einmal mit dem ersten Eingang 106 der Zählrichtungssteuerschaltung
90. Entsprechend ist ein erster Eingang 120 eines zweiten Äquivalenzgatters 121
zum einen mit dem ersten Eingang 107 der Zählrichtungssteuerschaltung 91 verbunden
und zum anderen mit dem Ausgang 86 des D-Flip-Flops 69. Ein zweiter Eingang 122
des Äquivalenzgatters 121 ist in analoger Weise sowohl am Ausgang 84 des D-Flip-Flops
67 als auch am ersten Eingang 105 der Zählrichtungssteuerschaltung 89 angeschlossen,
während der Ausgang 123 zum zweiten Eingang 109 der Zählrichtungssteuerschaltung
88 führt. Außerdem ist noch der Ausgang 83 des D-Flip-Flops 66 auf den ersten Eingang
104 der Zählrichtungssteuerschaltung 88 zurückgeführt. Von sämtlichen Ausgängen
82 bis 86 der D-Flip-Flops 65 bis 69 gehen schließlich Leitungen 125 bis 129 ab,
welche die Ausgänge 53 bzw. 54 des stochastischen Vor-Rückwärts zählers 50 darstellen.
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In Fig. 4 ist die Zählrichtungssteuerschaltung 88 stellvertretend
für sämtliche Zählrichtungssteuerschaltungen 88 bis 92 dargestellt. Sie besitzt
drei NAND-Gatter 125, 126 und 127. Die Ausgänge der beidenNAND-Gatter 125 und 126
bilden die beiden Eingänge des dritten NAND-Gatters 127, dessen Ausgang 128 mit
dem Ausgang 99 der Zählrichtungssteuerschaltung
88 identisch ist.
Der Steuereingang 94 ist einmal direkt mit einem Eingang 130 des NAND-Gatters 125
gekoppelt und zum anderen über einen Inverter 131 mit einem Eingang 132 des NAND-Gatters
126. Schließlich ist der Eingang 104 noch mit einem Eingang 134 des NAND-Gatters
125 gekoppelt und der Eingang 109 mit einem Eingang 135 des NAND-Gatters 126.
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Fig. 5 zeigt den stochastischen Rückwärtszähler 58 nach Fig. 2.
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Dieser Rückwärtszähler 58 besitzt den gleichen Aufbau wie der stochastische
Vor-Rückwärtszähler ohne die Einrichtungen für die Vorwärts zählung und die Zählrichtungsumschaltung.
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Darüber hinaus besitzen hier die D-Flip-Flops 140 bis 144 Preset-Eingänge
145 bis 149, die den Eingang 57 bilden.
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Die Takteingänge 150 bis 154 der D-Flip-Flops 140 bis 144 führen hier
alle zu dem Eingang 59, während die Ausgänge der D-Flip-Flops 140 bis 144 den Ausgang
60 bilden.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 arbeitet nun wie folgt.
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Ein stochastischer Zähler besitzt nicht von vorne herein eine definierte
Zählrichtung. Seine Ausgangswerte sind nahezu statistisch verteilt, -doch sie ergeben
eine definierte Ausgangsfolge.
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Diese Ausgangsfoige kann nun als Vorwärtszählrichtung definiert werden
und die Rückwärtszählrichtung ist dann dadurch gegeben, daß diese Aus gangs folge
in der umgekehrten Richtung durchlaufen wird.
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Der stochastische Vor-Rückwärtszähler 50 zählt hier ebenfalls entsprechend
der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 je nach dem Ausgangssignal des Komparators 13.
Die jeweils im stochastischen Zähler 50 stehende Zahl wird über den Ausgang 54 in
das Ubernahmegatter 55 übertragen. Von hier wird der Zahlenwert in den stochastischen
Rückwärtszähler 58 übernommen und mit großer Zählgeschwindigkeit rückwärtsgezählt.
Die nachfolgende Detektorstufe 61 gibt nun an ihrem Ausgang und damit am Frequenzausgang
25 des Analog-Digit al-Wandlers dann ein Ausgangssignal ab, wenn der Zahlenwert
im stochastischen Rückwärtszähler 58 den in der Detektorstufe 61
festgelegten
Wert erreicht hat. Gleichzeitig wird mit dem Ausgangssignal der Detektorstufe 61
der Zahlenwert vom Ubernahmegatter 55 erneut in den stochastischen Rückwärtszähler
58 übernommen. Je nach der Rückwärts-Zählfrequenz im stochastischen Rückwärts zähler
58 ergibt sich nun ein entsprechendes Signal am Frequenzausgang 25, das um so häufiger
kommt, je größer die Zählfrequenz fx am Eingang 59 des stochastischen Rückwärtszählers
58 ist und je kleiner der Differenzbetrag zwischen dem Zählerstand im stochastischen
Vor-Rückwärtszähler 50 und dem eingestellten Wert in der Detektorstufe 61 ist.
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Die Regelung erfolgt auch hier über einen Digital-Analog-Wandler in
Verbindung mit dem Komparator 30. Der stochastische Vor-Rückwärtszähler 50 von Fig.
3 arbeitet mit der Zählrichtungssteuerung von Fig. 4 nach der folgenden Art und
Weise. Je nach Zählrichtung werden die ersten Eingänge 104 bis- 108 der Zählrichtungssteuerschaltungen
88 bis 92 auf den D-Eingang 77 bis 81 der D-Flip-Flops 65 bis 69 geschaltet oder
aber die zweiten Eingänge 109 bis 113. Für den Fall der Vorwärtszählrichtung ist
däs Äquivalenzgatter 121 maßgebend, und somit müssen die zweiten Eingänge 109 bis
113 auf die D-Eingänge 77 bis 81 durchgeschaltet werden. Dies nötigt ein Null-Signal
an den Steuereingängen 94 bis 98 und damit an dem Eingang 51. Demgegenüber ist für
die Rückwärtszählrichtung das Äquivalenzgatter 115 maßgebend, was ein positives
Signal am Eingang 51 bedeuten muß. Der stochastische Vor-Rückwärts zähler 50 durchläuft
in der angegebenen Beschaltung bei der Rückwärts zählung die inverse Folge von der
entsprechenden Folge der Vorwärtszählrichtung.
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Der stochastische Rückwärtszähler 58 besitzt mit seinen Preset-Eingängen
145 bis 149 bevorrechtigte Eingänge der D-Flip-Flops 140 bis 144. Auf diese Weise
kann jeweils der entsprechende Zahlenwert aus dem Übernahmegatter 55 in den stochastischen
Rückwärts zähler 58 übernommen werden.
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Die Zählfolge entspricht hier der Rückwärtszählfolge des
stochastischen
Vor-Rückwärts zählers 50.
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Als Detektcrstufe 61 kann schließlich ein normales UND-Gatter verwendet
werden, da es nur bei einem ganz bestimmten Zahlenwert ein Ausgangssignal abzugeben
hat.
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Beide Schaltungsanordnungen lassen sich nicht nur zur Umsetzung einer
analogen Eingangsspannung in einen digitalen Ausgangswert verwenden. In ihrer Eigenschaft
als Analog-Digital-Wandler können sie darüber hinaus als Dividierer eingesetzt werden.
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Die am Frequenzausgang 25 erhaltende Frequenz f ist in der Schaltungsanordnung
von Fig. 1 das Produkt aus der Frequenz fx und dem Zahlenwert des Vor-Rückwärtszählers
17. Setzt man für diesen Zahlenwert den Buchstaben Z, so ergibt sich die Formel
f = fxrZ Die Frequenz f entspricht jedoch infolge der Analog-Digital-Wandlung der
Eingangsspannung Ue am Eingang 10. Eine Umstellung der obenstehenden Formal liefert
daher f Ue Z = = fx fx Für die Genauigkeit der oben behandelten Analog-Digital-Wandler
sind die Frequenzen fz und fx maßgebend. In beiden Schaltungsanordnungen der Fig.
1 und der Fig. 2 ist der Zähler stand des Vor-Rückwärts zählers 17, 50 bei gegebener
Eingangsspannung Ue durch die Frequenz fz festgelegt. Für die Höhe der Aus gangs
frequenz f am Frequenzausgang 25 ist dagegen in erster Linie die Frequenz fx entscheidend.
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Wird als Komparator 13 ein Zweipunktglied verwendet, dann zählen die
Vor-Rückwärtszähler 17, 50 laufend entweder vorwärts oder rückwärts. Am Frequenzausgang
25 ergibt sich damit eine Schwankung des Ausgangssignales.
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Die Dämpfung der Frequerzschwankungen ist durch die Regelkreischarakteristik
bestimmt. Diese setzt sich aus Integrator (VR-Zähler) und RC-Glied zusammenund bewirkt
insgesamt eine Tiefpaßcharakteristk 2. Ordnung. Durch entsprechende Abstimmung von
Intergratorzeitkonstante und Zeilkonstante des RC-Gl-iedes ist ein Kompromiß zwischen
schnellem Ansprechen des Kreises und guter Glättung zu erreichen.
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Bei Verwendung eines Dreipunktgliedes besteht die Möglichkeit, die
Vor-Rückwäftszähler 17, 50 auch in ihrem Zählvorgang zu stoppen. In diesem Fall
würden sowohl die Zahlenwerte der Vor-Rückwärts zähler 17, 50 die gleichen Werte
beibehalten als auch am Frequenzausgang keine Schwankung mehr auftreten.
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Im Beispiel der Schaltungsanordnung von Fig. 3 kann jedoch nur ein
Zweipunktglied als Komparator 13 verwendet werden.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, hat ein stochastischer Vor-Rückwärts
zähler bei beiden Zählrichtungen die gleiche Impulsfolge zu durchlaufen, da sich
sonst keine eindeutige Zuordnung zwischen den einzelnen Werten ergibt. Diese Impulsfolgen
sind stochastisch und sowohl von der Anzahl der verwendeten D-Flip-Flops, als auch
von den gewählten Anschlußpunkten für die Eingänge der Äquivalenzgatter abhängig.
Die Wortlänge am Ausgang 54 des stochastischen Vor-Rückwärtszählers 50 und am Ausgang
60 des stochastischen Rückwärtszählers 58 ist durch die Anzahl der verwendeten D-Flip-Flops
bestimmt und daher meistens gegeben. Die nachfolgende Tabelle kennzeichnet die Anschlüsse
der Äquivalenzgatter 117 und 121 für den Vorwärts-und Rückwärtszählvorgang bei verschiedenen
Wortlänge n.
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Für den Anschluß der jeweiligen Ausgänge der beiden Äquivalenzgatter
115 und 121 gibt es aufgrund der Schaltungsanordnung keine Alternativmöglichkeiten.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei Verwendung von Antivalenzgattern
in den stochastischen Zählern ein Ausgangssignal Null bei allen D-Flipflops nicht
zugelassen ist. Durch das Einschalten der Betriebsspannung der Zähler darf daher
kein definiertes Ausgangssignal "O" bei den D-Fliflops entstehen.
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Bei Verwendung von Äquivalenzgattern ist entsprechend ein 1-Signal
an allen Ausgängen der D-Flipflops gleichzeitig nicht erlaubt.
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Rückkopplungen für stochastische Impulszähler Beschaltungen Wortlängen
n Vorwärtszöhlen Rückwärtszählen 1 O # X1 O # X1 2 X1 # X2 X1 # X2 3 X2 X3 X1 --
X3 4 X3 # X4 X1 # X4 5 X3 - X5 X1 - X4 6 X5 # X6 X1 # X6 7 X4 # X7 X1 # X5 8 (X3
# X5) - (X7 # x8) (X4 - X6) - (X1 - X8) 10 X7 # X10 X1 # X8 11 X9 # X11 X1 # X10