DE2555483C3 - Vorrichtung zum leicht veränderbaren Aufbau einer elektrischen Schaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum leicht veränderbaren Aufbau einer elektrischen Schaltung /Ur Durchführung elektrischer Messungen und Versuche aus einer Vicl/ahl elektrischer Bauelemente, die zueinander fest angeordnet und miteinander verdrahtet sind und sich mit in die Verdrahtung eingefügten Schaltinitteln in unterschiedlicher Weise zusammenschalten lassen.

(■!ine derartige Vorrichtung geht ims der IIS-PS 28 ^ri!4 als bekannt hervor

In der Zeitschrift »elektronik-industrie«, Heft 9,1973, S. 186 und 187, wird eine Entwurfstechnik von MOS-Schaltungen beschrieben, bei denen es sich um eine Logiksimulation mit Hilfe eines Rechners handelt. Dabei werden die logischen Eigenschaften von Schaltkreisen rechnerisch simuliert. Nach erfolgreichem Abschluß der gesamten Simulation werden die der Simulation entsprechenden Schaltkreise physikalisch realisiert. Eine Änderung der so entstandenen Schaltungen ist dann nicht mehr möglich.

Ähnliches gilt für die in der Philips-Firmendruckschrift »Quality and MOS Integrated Circuits« angedeuteten computerbetriebenen Prüfautomaten für integrierte Schaltungen. Hier ist es nur möglich, bei einer fertigen Schaltung an die Eingänge bestimmte Spannungsmuster anzulegen und diese an den Ausgängen festzustellen. Dabei kann also nur ein Zugriff an die Schnittstellen (Interfaces) der Schaltung erfolgen, ein Eingriff an beliebigen inneren Punkten der Schaltung und demzufolge eine Messung an diesen Punkten ist nicht möglich, ebensowenig wie eine Veränderung der Schaltung.

Demgegenüber läßt das übliche Verdrahten der Bauelemente zwar beliebige Änderungen und Messungen in der Schaltung zu, ist aber sehr aufwendig und mühsam. Dies gilt insbesondere beim Aufbau neuer Schaltungen, an denen immer wieder Veränderungen notwendig sind, sowie beim Aufbau ständig abgewandelter Demonstrationsschaltungen für Lehrzwecke. Die Schwierigkeiten lassen sich dabei auch nur geringfügig verkleinern, wenn man die Bauelemente steckbar auf gelochten Leiterplatten anordnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum leicht veränderbaren Aufbau einer elektrischen Schaltung, zur Durchführung elektrischer Messungen und Versuche aus einer Vielzahl elektrischer Bauelemente, die zueinander fest angeordnet und miteinander verdrahtet sind und sich mit in die Verdrahtung eingefügten Schaltmitteln in unterschiedlieher Weise zusammenschalten lassen, zu schaffen, bei der ein einfach zu variierender Verbindungsaufbau zwischen dieser Vielzahl von elektrischen Bauelementen ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Vielzahl zwischen den Polen der Bauelemente angeordneter kontaktloser, digitaler elektrischer Schaltelemente, die als Speicherzellen einer Datenverarbeitungsanlage ausgebildet oder mit diesen direkt gekoppelt sind (Speicher-Schaltclcmenle) und derart ausgebildet sind, daß sie je nach dem Inhalt der zugehörigen Speicherzelle elektrisch leiten oder sperret I.

Dies läßt sich in Weiterbildung der Erfindung besonders einfach dadurch realisieren, daß eine Vielzahl von Bauelementen gitterförmig derart zusammcngeschaltct ist, daß zwischen jeweils zwei benachbarten Krciizungspunkten zwei parallele Zweige liegen, von denen der eine eine Überbrückungsleitung mit einem Spcicher-Schaltclement darstellt, während im anderen Zweig ein Spcichcr-Schaltclcmcnt in Serie mit einem Bauelement liegt.

Die erfindiingsgemäßc Vorrichtung ermöglicht vielfaltige Verbindungen /wischen den Bauteilen durch wechselweise oder gleich/eilige Ansteuerung der Speicher/eilen, /wischen zwei benachbarten Krcu /iiiigspiinkten kann — wenn beide Schaltelemente sperren — keinerlei Verbindung bestehen oiler aber

eine Kurzschlußverbindung, wenn nur die in Serie mit dem Bauelement liegende Speicherzelle sperrt. Ist dagegen nur die Speicherzelle in der Überbrückungsleitung gesperrt, so liegt zwischen den beiden Kreuzungspunkten das jeweilige Bauelement.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Speicher-Schaltelemente einen durch den eingeschriebenen Dauerstrom einer Kryotron-Speicherzelle in den normalleitenden Zustand umsehaltbaren Leiterabschnii: aus supraleitendem Material er.ihalten. Ist in der Kryotron-Speicherzelle ein Dauerstrom und damit die Informationseinheit »1« enthalten, so schaltet das Magnetfeld dieses Stroms den das Schaltelement bildenden Leiterabschnitt vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, wodurch bei entsprechender Ausbildung ein sehr hoher, theoretisch unendlich hoher. Widerstand erzielt werden kann, der den Sperrzustand des Schaltelementes bildet. Ist dagegen in der Kryotron-Speicherzelle kein supraleitender Dauerringstrom vorhanden (Informationseinheit »0«), so ist der das Schaltelement bildende Leiterabschniit supraleitend, das Schaltelement mithin durchgeschaltet.

Mit besonderem Vorteil können die elektrischen Bauelemente und die Speicherzellen auf einer gemeinsamen Trägerplatte vorzugsweise in Form von Schichtelementen oder nach Art integrierter Schaltkreise angeordnet sein. Bei Verwendung supraleitender Teile gilt dies allerdings nicht für sich stärker erwärmende Bauelemente, die in diesen Fällen günstige^rweise außerhalb des inneren Speicherbereichs angeordnet sein sollten.

Die Verwendung supraleitender Teile im vorliegenden Zusammenhang hat den weiteren Vorteil einer erhöhten Funktionssicherheit der Schaltung, weil Fremdmagnetfelder durch supraleitende Leiterplatten abgeschirmt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß eine Vielzahl gleichartiger Bauelemente unterschiedlicher Größe einander benachbart derart angeordnet sinii, daß sie durch Parallel- und/oder Si-'rienschaltung mittels der Speicher-Schaltelemente ein derartiges Bauelement ergeben, dessen Kenngröße aufgrund der verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten verschiedene diskrete Werte annehmen kann. Besonders bei einem integrierten Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Art integriertsr Schaltungen lassen sich auf diese Weise trotz der Vielzahl von Bauelementen zur Herstellung jeweils nur eines gleichartigen Bauelements beliebiger Größe noch kompakte und kleinräumige Vorrichtungen erzielen.

Eine Anwendungsmöglichkeit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich durch e>rie Rückkopplung zwischen dem die Speicher-Schaltelemente ansteuernden Rechenwerk der Datenverarbeitungsanlage und der gebildeten Schaltung, derart, daß die Datenverarbeitungsanlage durch Messungen und Auswertung der Potentiale und/oder Ströme von verschiedenen Schaltungspunkten die Schaltung gezielt verändern kann. Dabei können alle Bauteile und Funktionseinheiten vor Inbetriebnahme der Gesamtschaltung durch die Datenverarbeitungsanlage auf ihre richtige Funktionsweise hin untersucht werden, was die Funktionssichcrlieit der Schaltung ebenfalls erhöht. Is liißt sich somit ein Digitalrechner bei geeigneter Programmierung da/u heranziehen, eine Sdiiiltting selbsttätig im Hinblick auf eine gewünschte Funktion her/ustellen und /ii optimie-Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels sowie an Hand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. I einen Ausschnitt aus dem Schaltüngsgitter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig.2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eines der in Fig. 1 verwendeten Speicher-Schaltelemente und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie UI-III in Fig. 2.

Zwischen zwei jeweils benachbarten Kreuzungspunkten des Schaltungsgitters liegen zwei zueinander parallele Zweige I und II, von denen der Zweig I jeweils eine ein Schaltelement bildende bzw. mit -einem Schaltelement gekoppelte Speicherzelle enthält. Diese Bauteile sollen im Folgenden als Speicher-Schaltelemente SE bezeichnet werden. Die Zweige Il bestehen jeweils aus einem elektrischen Bauelement, beispielsweise einem Widerstand, einem Kondensator, einem aktiven Bauelement wie einem Transistor o. dgl. und einem damit in Serie liegenden Speicher-Schaltelement SE Die Ansteuermöglichkeit des Sp?^:~her-Schaltelements nach Art der üblichen Ansteuerung der Elemente elektronischer Speicher, ist in F i g. 1 jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Zur Verdeutlichung und Erzielung eines besseren Überblicks sind in F i g. 1 diejenigen Speicher-Schaltelemente SE schraffiert eingezeichnet, in die die Informationseinheit »1« eingeschrieben ist und die demzufolge sich in ihrem Sperrzustand befinden.

Die Fig. 1 zeigt eine auf diese Weise gebildete einfache Auflade- und Entladeschaltung mit einem Kondensator und drei Widerständen. Die punktierten Verbindungsleitungen zu einer Spannungsquelle B und einem Meßinstrument M lassen sich aufbauen, indem von den entsprechenden Schaltungspunkten aus eine Verbindungsleitung hergestellt wird, indem jeweils alle auf dem Weg der Leitung liegenden Zweige Il durch Ansteuerung ihrer Speicher-Schaltelemente gesperrt werden, während die Überbrückungsleitungen durchgeschaltet sind.

In den F i g. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Speicher-Schaltelement dargestellt, wobf' mit /elektrische Isolierschichten bezeichnet sind. Mit A sind magnetische Abschirmungen bezeichnet, die aus supraleitfähigen Materialien mit höherer kritischer Feldstärke als die Leitung 1 bestehen. Die Kryotron-Speicherzelle umfaßt die Stromleitung 1. die beidei. sich kreuzenden Leseleitungen 3 und 4 und die drei Löschleitungen 3, 2 und 4. wobei die beiden letzteren parallel zueinander verlaufen und die Leitungen 3 kreuzen. Die Leitungen 1 und 3 besitzen Umwegleitupgen. Erstere kommt über einem Loch 7 in der supraleitenden Grundplatte 7zu liegen. Die Leitungen 1, 2,3,4,5,6 werden benutzt, um einen Dauerstrom 8 in das Speicherschaltelement einzuspeichern. Das durch den Dauerstrom 8 hervorgerufene Magnetfeld ist dabei kleiner als das sog. kri'ische Magnetfeld der Materialien für die Leitungen I,2und5.

Für die Größe der kritischen Magnetfelder H der einzelnen Leitungen gilt folgendes Gleichungssystem:

H(A)> H(\) = W(5) > H(9)

Il(A) > /7(4) > //(3)

Hei Überschreiten des kritischen Magnetfelds erfolgt eine Umschaltung v,>;n supraleitenden Zustand des Materials in den normalleitcndcn Zustand.

Dieser Voreans» wird durch den Dauerstrom 8 in der

Leitung 9 an den Kreuzungsstellcn mit den Leitungen 1 und 5 bewirkt, da das Material der Leitung 9 ein wesentlich geringeres kritisches Magnetfeld besitzt, als die Leitungen 1 und 5. Das Einschreiben der Informationseinheit »I« entspricht dem F-'licßcn eines Dauerstroms 8 und einem theoretisch unendlich hohen Widerstand in Her Leitung 9 an den oben erwähnten Kreuzungspunkten. Die Steuerleitung 9 bildet damit das Schaltelement und stellt die Durchgingsleitung dar. welche in F i g. I in die Zweige I bzw. Il eingeschaltet ist. Dabei kommt es darauf an, daß das supraleitende Material im normailcitcndcn Zustand außerordentlich hochohmig sein soll, damit es in diesem Zustand praktisch einen gesperrten Schalter bildet.

Zum Lesen der eingespeicherten Informationen fließt durch die l.cseleitung 4 ein Lesestrom, und die Leitung 3/6 wird auf Durchgang geprüft. Das Material der Leitung 3/6 besitzt wie das Material der Leitung 9 ein geringeres kritisches Magnetfeld als das Material der Leitung I. Wenn der Dauerstrom 8 fließt, besitzt die Leitung 3/6 einen Widerstand, fließt kein Dauerstrom, dann ist die Leitung 3/6 supraleitend.

Zum Einschreiben der Informationseinheit »0« wird durch die Leitungen 2 und 3 der halbe, durch ehe Leitung 4 der ganze I öschstrom geschickt. An der Kreuzungsstelle der Leitungen 3 und 4 wird die Leitung 3 normalleitend und an der Krsuzungsstelle der Leitungen I, 2 und 6 werden alle drei Leitungen normalleitend. Der Dauerstrom 8 verschwindet und die Leitung 9 wird wieder supraleitend. Der Schalter ist geschlossen.

Bei einem Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung mit supraleitenden Speicher-Schaltelementen ist es besonders günstig, als aktive Bauelemente solche einzusetzen, die ebenfalls Supraleitfähigkeit ausnutzen. Derartige Bauelemente sind z. B. logische Schaltungen unier Verwendung von Kryotrons. Durch Zusammenfassung von Kryotrons, die sich gegenseitig steuern, lassen sich logische Verknüpfungsschaltungen verschiedenster Art aufbauen. Dies würde beispielsweise den Aufbau eines Digitalrechners ermöglichen. Darüber hinaus könnten als aktive supraleitende Bauelemente auch sog. Josephson-Elemente verwendet werden, die sich als Mixer im Giga-Hertz-Bereich verwenden lassen

Bei der Durchführung von Messungen an beliebigen Punkten einer erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung ist es möglich, daß dabei eine »Meßleitung« eine Seilverbindung kreuzt. In diesem f'all läßt sich die Schaltung auch entsprechend umbauen, daß derartige Kreuzungen vermieden werden können. Dieser Umbau der gebildeten Schaltung, d. h. der geometrisch andere Aufbau einer vom Schaltbild her gleichbleibenden Schaltung, kann durch entsprechende Programmierung des Rechenwerks selbsttätig vom Digitalrechner erfolgen; gegebenenfalls muß bei neuen Messungen an anderen Schaltungspunkten der Digitalrechner die Schaltung jedesmal in geometrisch veränderter Weise neu auftauen, um die besagte Leitungskreuzung zu vermeiden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum leicht veränderbaren Aufbau einer elektrischen Schaltung zur Durchführung "> elektrischer Messungen und Versuche aus einer Vielzahl elektrischer Bauelemente, die zueinander fest angeordnet und miteinander verdrahtet sind und sich mit in die Verdrahtung eingefügten Schaltmitteln in unterschiedlicher Weise zusammenschalten in lassen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl zwischen den Polen der Bauelemente angeordneter kontaktloser, digitaler elektrischer Schaltelemente, die als Speicherzellen einer Datenverarbeitungsanlage ausgebildet oder mit diesen direkt gekoppelt ι τ sind (Speicher-Schaltelemente SE) und derart ausgebildet sind, daß sie je nach dem Inhalt der zugehörigen Speicherzelle elektrisch leiten oder sperren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Bauelementen gitterförmig derart zusammengeschaltet sind, daß zwischen jeweils zwei benachbarten Kreuzungspunkten (K)zwe\ parallele Zweige (I, II) liegen, von denen der eine eine Überbrückungsleitung mit _>5 einem Speicher-Schaltelement (SE) darstellt, während im anderen Zweig (II) ein Speicher-Schaltelement (SE)'in Serie mit einem Bauelement liegt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicher-Schalt- hi elemente (SE) mindestens je einen durch den eingeschriebenen Dauerstrom einer Kryotron-Speicherzelle in den norma"eitenden Zustand umschaltbaren Leiterabschnitt aus supraleitfähigen! Material enthalten. »

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bauelemente und die Speicher-Schaltelemente auf einer gemeinsamen Trägerplatte, vorzugsweise in Form von Schichtelementcn oder nach Art inte- to grierter Schaltkreise, angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl gleichartiger Bauelemente unterschiedlicher Größe einander benachbart derart angeordnet sind, daß sie durch ii Parallel- und/oder Sertenschaltung mittels der Speicher-Schaltelemente (SE) ein derartiges Bauelement ergeben, dessen Kenngröße aufgrund der verschiedenen Schaltungsmöglichkciten verschiedene diskrete Werte annehmen kann. v>

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich siärker erwärmende Bauelemente außerhalb des inneren Speicherbereichs angeordnet sind.