DE2609013A1 - Verstaerker-bezugspegel-stabilisator - Google Patents
Verstaerker-bezugspegel-stabilisatorInfo
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Description
Commissariat a 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)
Verstärker-Bezugspegel-Stabilisator
Die Erfindung betrifft einen Bezugspegel-Stabilisator
eines Verstärkers, d. h. eine Vorrichtung, durch die die
Abweichung im Gleich-Pegel des AusgangsSignaIs eines Verstärkers
infolge verschiedener Parasitäreffekte korrigier- bzw. stabilisierbar ist.
Es ist feststellbar, daß,, wenn kein Eingangssignal am Eingang
eines Verstärkers zur Direktzählung anliegt, das Ausgangssignal von Null verschieden ista und daß der Pegel dieses
AusgangsSignaIs schwankt. Daraus folgt, daß dann, wenn
ein Eingangssignal am Eingang des Verstärkers anliegt, das Ausgangssignal fehlerbehaftet ist.
Die Abweichungen des Gleich-Pegels beeinflussen das Auflösungsvermögen des Verstärkers erheblich bzw. des am
Eingang des Verstärkers angeschlossenen Geräts und damit ganz allgemein die Zuverlässigkeit dieses Gerätes.
4l0-(B550l.3)MaF
609838/0870
ORfQlNAL INSPECTED
Diese Pegelabweichungen können verschiedene Ursachen haben, beispielsweise Änderungen der Umgebungstemperatur,
örtliche Temperaturänderungen bestimmter Transistoren od.dgl. abhängig vom Betriebszustand des Verstärkers, und
zufällige oder stochastische Schwankungen.
Die Basis- oder Bezugs-Pegel-Instabilität kann mehrere
hundert Millivolt betragen.
Üblicherweise wird zur Überwindung dieser Probleme ein Bezugs Ieitungs-Wie.derherstellglied verwendet, das durch eine
nichtlineare Schaltung gebildet ist, die im Anschluß an den Kopplungskondensator angeordnet ist.
Diese Schaltung, die jede Änderung des Pegels der Bezugsleitung auf Null zurückführen soll, wirkt vorteilhaft
auch gegenüber Parasität-Spannungen, die sich langsam ändern,
wie-BruxHmspannungen. Daher v/erden besonders nachteilig
Amplitudenänderungen wegen des Grund-Rauschens erhöht, und
zwar umsomehr je besser die Schaltung wirkt.
Eine weniger übliche Möglichkeit wird durch Bezugsleitungs·
Stabilisatoren gegeben. Der Ausgang des Verstärkers ist direkt mit einem Empfangsgerät und mit einer Gegenkopplungsschaltung
verbunden, die zum Korrigieren oder Ausgleichen der Abweichungen an der Bezugsleitung bestimmt ist. Diese
Gegenkopplungsschaltung weist ein nichtlineares Bauelement auf, das verhindert, daß Signale in den Verstärker wiedereingeführt
werden und das in einem Tiefpaß-PiIter (Integrator)
-endet, um die durch die Gegenkopplung zugeführte
Spannung auszugleichen.
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Bei diesen Anordnungen kann das nichtlineare Bauelement
beispielsweise durch zwei einfache Dioden gebildet sein, wobei dann die Impulse auf der Bezugsleitung nur teilweise
beseitigt werden. Selbst dann, wenn die Dioden-Kennwerte ideal ausgebildet werden, mittels Operationsverstärkern,
können, da ein Zwischenraum oder ein Bereich zum Zuführen des Steuerungs-Gleich-Signals vorgesehen werden
muß, diese Impulse nicht beseitigt werden.
Bei anderen Anordnungen ist das nichtlineare Bauelement durch eine sogenannte Robinson-Schaltung gebildet. Der
während der Dauer jedes Impulses kommutierte Strom integriert sich auf die Filter-Kapazität dieser Schaltung, wodurch
ebenfalls ein Restsignal erzeugt wird.
In je.dem Fall erzeugt jeder Impuls ein Restsignal, dessen
Form von der verwendeten nichtlinearen Schaltung abhängt. Da das Eintreten dieser Impulse zufällig erfolgt, erzeugen
diese Signale nach Integration einen dem Rauschen gleichgestellten Effekt der das Auflösungsvermögen des am Eingang
des Verstärkers angeschlossenen Geräts verschlechtert,
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Bezugspegel-Stabilisator
eines Verstärkers zu schaffen, der unter Vermeidung dieser Nachteile insbesondere den Bezugspegel zu
Null oder zumindest konstant macht, wenn kein Eingangssignal
anliegt.
Bei einem Stabilisator zum Stabilisieren des Ausgangspegels bzw. Bezugspegels eines Verstärkers, der mehrere Ver-
- stärkerstufen enthält, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Ausgang der letzten Verstärkerstufe
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und dem Eingang einer der Zwischenverstärkerstufen in Reihe enthalten sind, eine Verstärker-Anordnung, deren Ausgang
mit dem Eingang eines Integrators mittels eines ersten gesteuerten Unterbrechers verbunden ist, wobei der Ausgang
des Integrators mit dem Eingang einer der Zwischenverstärkerstufen verbunden ist, damit das Ausgangssignal vom
Eingangssignal des Verstärkers abgezogen wird und mit einer logischen Detektorschaltung verbunden ist, deren · Eingang
das von der Verstärker*^nordnung abgegebene Signal empfängt,
wobei die Detektorschaltung zwei Ausgänge besitzt, deren einer
mit der Steuerung des ersten Unterbrechers und dessen zweiter mit der Steuerung eines zweiten Unterbrechers verbunden ist,
der zwischen dem Eingang des Integrators und Masse liegt, wobei die logische Detektorschaltung so ausgebildet ist, daß
sie den ersten Unterbrecher öffnet und den zweiten Unterbrecher schließt, bei jedem Impuls mit schnellen Änderungen,
der an seinem Eingang anliegt/und daß er den ersten Unterbrecher
schließt und den zweiten Unterbrecher öffnet, wenn das an seinem Eingang anliegende Signal langsame Änderungen
aufweist oder ein Gleichsignal ist.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Gesamtanordnung; Fig.2 schematisch ein Ausführungsbeispiel deiJDetektor-
schaltungj
Fig. J5 zwei die Stabilisatorwirkung darstellende Kennlinien bei einer Temperaturabweichung eines Verstärkers.
Fig. J5 zwei die Stabilisatorwirkung darstellende Kennlinien bei einer Temperaturabweichung eines Verstärkers.
Der im folgenden erläuterte Stabilisator ist insbesondere
daran angepaßt, daß der Verstärker, dessen Ausgangspegel stabilisiert werden soll, am Ausgang eines Spektrometers verwendet
wird bzw. angeschlossen ist.
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Selbstverständlich ist der erfindungsgemäße Stabilisator auch für andere Verstärkerarten verwendbar.
In Fig. 1 sind die letzten Verstärkerstufen dargestellt,
deren Bezugspegel stabilisiert werden soll. Die Gesamtanordnung 2 besteht beispielsweise aus vier Stufenverstärkern 4a,
4b, 4c, 4d. Der direkte Eingang 6 des ersten Stufenverstärkers 4a bildet den Eingang der Gesamtanordnung 2 und der
Ausgang 8 des vierten Stufenverstärkers 4d bildet den Ausgang der Gesamtanordnung 2. Die erste Verstärkerstufe $a
weist einen zweiten invertierenden Eingang 10 auf.
Die Stabilisatorschaltung ist in Gegenkopplung in bezug auf die Verstärker-Gesamtanordnung 2 angeordnet. Dabei ist
eine Verstärkerstufe 12 dargestellt. Diese Verstärkerstufe 12 kann in an sich bekannter Weise durch einen
Operationsverstärker 14, der mit Widerständen R., R2 und R_
verbunden ist, aufgebaut werden. Vorteilhaft besitzt diese Verstärkerstufe 12 hohen Gewinn und geringe Temperaturabweichung
(beispielsweise einen Gewinn in der Größenordnung von 100 dB). Ein Ausgang 16 dieser Verstärkerstufe 12 speist
einerseits eine logische Detektorschaltung 18, die im folgenden erläutert wird, und andererseits den Eingang eines
gesteuerten Unterbrechers P„. Dieser erste Unterbrecher P0
a a
wird durch ein erstes durch die Detektorschaltung 18 abgegebenes Logiksignal gesteuert, wobei das Logiksignal die
Offenstellung oder Schließstellung des Unterbrechers PQ
el
bestimmt.
Der Ausgang des ersten Unterbrechers P ist mit einem
Verbindungspunkt" 20 verbunden. Der Verbindungspünktj 20
ist über einen elektrischen Leiter mit der EingangsklemmQ eines
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zweiten Unterbrechers p, verbunden, dessen andere Klemme an Masse (an Erde) liegt. Der zweite Unterbrecher P^ wird
durch ein zweites Logiksignal gesteuert, das von der logischen Detektorschaltung 18 abgegeben wird.
Der Verbindungspunkt 20 ist außerdem mit dem Eingang einer
Integratorschaltung oder eines Integrators 22 verbunden. Der Ausgang des Integrators 22 ist mit dem nichtirreertierenden
Eingang 10 des ersten Stufenverstärkers 4a der ■Verstärkergesamtanordnung 2 verbunden.
Ganz allgemein muß das vom Integrator 22 kommende elektrische Signal vom am Eingang 6 anliegenden Signal abgeleitet
sein.
Der Integrator 22 kann beispielsweise in einer bekannten Weise ausgeführt sein mittels eines Widerstands R und eines
Kondensators C.
In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
;ischen Detektorsc]
und P^ dargestellt.
und P^ dargestellt.
logischen Detektorschaltung 18 zum Steuern der Unterbrecher P_
Im wesentlichen enthält die Detektorschaltung 18 zwei Diskriminator en D, und D, .
Ersterer ist ein Hoch-Diskriminator und letzterer ein Tief-Diskriminator.
Die Schwellenspannung des Hocri-CLskriminators D, liegt
zwischen dem direkten Eingang j50 und dem invertierenden Eingang 32 über einen Widerstand R1. Der Widerstand R1 wird
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von einem Konstantpegel-Stromgenerator versorgt, der durch einen Bipolartransistor J54 gebildet ist, der mit Polarisationswiderständen
R2, R-Z und R1. versehen ist. Bei
einem besonderen Beispiel liegt der Emitter des Transistors an einer Stelle 36 an einer Spannung von +12 V. Der Tief-Diskriminator
D, wird von einer Schwellenspannung in gleicher Weise versorgt. Die dem Hoch-Diskriminator D. entsprechenden
äquivalentem Bauelemente weisen die gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugszeichen auf. Der Tief-Diskriminator
D, liegt an einer Stelle 36' an einer Gleichspannungsquelle
von -12 V.
Außerdem ist der invertierende Eingang 32 des Hoch-Diskriminators
D, mit einer Seite eines Kondensators C1 verbunden,
dessen andere Seite an Masse liegt.
In gleicher Weise ist der nichtinvertierende Eingang 30'
des Tief-Diskr.iminators D, mit der einen Seite eines Kondensators C', verbunden, dessen andere Seite an Masse liegt.
Der Verbindungspunkt 16 liegt am Eingang M der logischen
Detektorschaltung 18 und ist über Widerstände Rf- und
R' an Eingänge 30 bzw. 32' der beiden Diskriminatoren D^, D^
sowie an die Widerstände R1 bzw. R^ angeschlossen.
Im beschriebenen besonderen Ausführungsbeispiel betragen die Schwellenwert-Spannungen der Diskriminatoren D, und D.
200 mV. Die Stromversorgungsschaltungen geben Ströme von 200 /UA ab und Widerstände R1, R'., haben einen Widerstandswert
von 1000 J\., so daß zwischen den beiden Eingängen 30, 32
und 30', 32' der beiden Diskriminatoren Dh bzw. Db die
Schwellenspannung von 200 mV anliegt.
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Die Wirkungsweise der beiden Piskriminatoren D, , D ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung. Im Ruhezustand,
d. h., wenn kein Signal am Eingang ^ anliegt, haben beide
Diskriminatoren D^, D^ an beiden Eingängen 30, 32; 30', 32'
das gleiche Signal. Ihr Ausgangssignal bleibt daher im Zustand
Null. Wenn ein Signal mit langsamer Änderung am Verbindungspunkt 16 anliegt, empfangen beide Diskriminatoren D,, D,
unabhängig vom Vorzeichen des Signals an ihren beiden Eingängen 30, 32, 30', 32' identische Signale, da in diesem Fall
die Kondensatoren C. und C'. keine Rolle spielen. Am Ausgang
der Diskriminatoren Dh und D^ ist daher ebenfalls das Signal
Null.
Wenn ein positives Signal steller Anstiegsflanke am Verbindungspunkt
16 bzw. am Eingang M anliegt, treten die Kondensatoren C, und C'. in Erscheinung und die an jedem der
Eingänge 30, 32, 3O1, 32' der Diskriminatoren anliegende
Spannung ist verschieden. Da das Signal positiv ist, hat der HochrDiskriminator D, am Ausgang ein Signal mit dem
Logikpegel "1", während im Gegensatz dazu der Tief-Diskriminati
"0" hat.
"0" hat.
kriminator D, am Ausgang ein Logiksignal mit dem Pegel
Wenn das Signal mit schnellen Änderungen im Gegensatz
dazu negative Änderungen besitzt, das am Verbindungspunkt anliegt, so hat der Hoch-Diskriminator D, am Ausgang ein
Signal des Logikpegels "0" und der Tief-Diskriminator Db
ein Signal des Logikpegels "1", ebenfalls wegen der vorstehend angeführten Gründe.
Im folgenden wird die Signalverarbeitung der von den Diskriminatoren
Dh bzw. Db abgegebenen Logiksignale erläutert.
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Das Ausgangssignal des Hoch-Diskriminators D, liegt am Eingang einer logischen Inverterschaltung oder eines
Inverters 40, der seinerseits mit einem Eingang eines invertierenden
UND-Glieds oder NAND-Glieds 44 verbunden ist. In gleicher Weise ist der Tief-Diskriminator Dfe mit
dem Eingang eines Inverters 42 verbunden, der seinerseits mit dem zweiten Eingang des NAND-Glieds 44 verbunden ist.
Das Ausgangssignal des NAND-Glieds 44 liegt am Eingang eines weiteren Inverters 46. Der Ausgang des NAND-Glieds
ist außerdem auch mit der Steuerklemme des ersten Unterbrechers P verbunden, während der Ausgang des weiteren
a
Inverters 46 mit der Steuerklemme des zweiten Unterbrechers P, verbunden ist. Wie bereits ausgeführt, tritt am Ausgang des
Hoch-Diskriminators Dh ein Signal mit Logikpegel "0" auf
außer wenn das am Eingang M bzw. dem Verbindungspunkt 16 anliegende Signal positiv ist und sich schnell ändert.
In gleicher Weise liegt ein Signal mit Logikpegel "0"
am Ausgang des Tief-Diskriminators D, außer wenn das am Verbindungspunkt 16 anliegende Signal negativ ist und sich
schnell ändert. Daraus folgt, daß am Ausgang des Inverters stets ein Signal mit Logikpegel "l" anliegt, außer wenn das
Eingangssignal positiv ist und sich schnell ändert und daß am Ausgang des Inverters42 ein Signal mit Logikpegel "l"
anliegt, außer wenn am Verbindungspunkt 16 der Detek- -
1 ο
tor schaltung/ein negatives Signal mit schnellen Änderungen
tor schaltung/ein negatives Signal mit schnellen Änderungen
anliegt. Am Ausgang des NAND-Glieds 44 tritt daher ein Signal mit Logikpegel "l" immer dann auf, wenn im Signal
am Verbindungspunkt 16 schnelle Änderungen auftreten und am Austritt des weiteren Inverters 46 tritt ein Signal mit
Logikpegel "l" in allen anderen Fällen auf.
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-ίο -
Die Unterbrecher P und P, sind so ausgeführt,daß sie
a D
geöffnet sind, wenn das Steuereingangssignal auf Logikpegel "1" liegt und geschlossen sind, wenn das Steuersignal auf Logikpegel "0" liegt.
geöffnet sind, wenn das Steuereingangssignal auf Logikpegel "1" liegt und geschlossen sind, wenn das Steuersignal auf Logikpegel "0" liegt.
Daraus ergibt sich einfach, daß jedesmal dann, wenn das am Verbindungspunkt 16 anliegende Signal schnelle Änderungen
aufweist, unabhängig davon, ob sie positiv oder negativ sind, der Unterbrecher P geöffnet und der Unterbrecher P,
a b
geschlossen ist.
Im anderen Fall, d. h. bei langsamen Änderungen oder bei gleichen Signalen, ist der Unterbrecher P geschlossen und
el
der Unterbrecher P^ geöffnet, was den eingangs gestellten
Forderungen entspricht.
Selbstverständlich können auch andere Ausführungsbeispiele für die logische Detektor bzw. Erfassungs-Schaltung
vorgesehen werden. Es genügt, wenn diese Schaltung am Ausgang ein Signal mit Logikpegel "l" an den Unterbrecher P und
mit Logikpegel "0" an den Unterbrecher P. abgibt, wenn ein Signal mit schnellen Änderungen am Eingang dieser Schaltung
anliegt.
Die Unterbrecher P und P, sind in der zeichnung als
ab
mechanische Schaltglieder dargestellt. Diese Darstellung
vereinfacht lediglich das Verständnis. Selbstverständlich können diese Unterbrecher auch mittels integrierter Schaltungen
ausgebildet sein. Beispielsweise können Feldeffekttransistoren verwendet werden, die mittels deren Gate- oder
Toranschluß gesteuert werden, der die Logiksignale ggf. nach
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261)9013
einer Spannungspegelanpassung entsprechend dem Logikpegel "l"
empfängt.
Zur besseren Hervorhebung der Stabilisationswirkung der
erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber der Temperatur sind in Fig.2 zwei Signalverlaufe dargestellt, die die Spannungsverschiebung am Ausgang des Verstärkers in mV abhängig von
den Umgebungstemperatur-Änderungen in 0C darstellt. Der
Punkt Null dieser Einteilung entspricht der Umgebungstemperatur (z. B. 2j5°C) und die an der Abszisse angegebenen
Zahlen geben den Abstand der Bezugstemperatur von der
Ist-Temperatur wieder. Die Kennlinie I zeigt die Spannungsabweichung, wenn der Verstärker mit maximalem Gewinn ohne
Stabilisator verwendet wird. Die Kennlinie II zeigt die Ausgangsspannungsabweichung des gleichen Verstärkers unter
gleichen Bedingungen jedoch mit dem erfindungsgemäße Stabilisator. Es ergibt sich sichtbar eine wesentliche Verringerung
der Temperatur-Einwirkung, da, wenn die Temperatur etwa hj>
0C beträgt, ohne Stabilisator eine Spannungsabweichung von etwa
450 mV auftritt, während diese Spannungsabweichung bei verwendung
des erfindungsgemäßen Stabilisators lediglich 5 mV beträgt.
Bemerkenswert ist weiter, daß bei verwendung des Verstärkers in einer Röntgen- oder j"-Spektrometriekette die erfindungsgemäße
Anordnung es ermöglicht, die Mitte der Peaks des der analysierten Strahlungsquelle entsprechenden Spektrums
stabil bzw. praktisch stabil zu halten, unabhängig von der Zähl- oder Impulsrate.
Darüber hinaus besitzt der erfindungsgemäße Stabilisator eine zeitkonstante von etwa 10 /US. Diese Zeitkonstanz ist
insbesondere vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Anordnung in einer Spektrometrieeinrichtung angeordnet ist.
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Claims (1)
- - 12-Pa t entans prüche(l). Bezugspegel-Stabilisator eines Verstärkers mit mehreren reihengeschalteten Verstärkerstufe, "dadurch gekennzeichnetdaß in Reihe zwischen dem Ausgang (8) der letzten Verstärkerstufe (4d) und dem Eingang (10) einer der Zwischen-Verstärkerstufe (4a) angeordnet sind eine Verstärker-A. nor dnung (12), deren Ausgang (16) mit dem Eingang (20) eines Integrators (22, R, c ) über einen gesteuerten ersten Unterbrecher (P0) verbunden ist,elwobei der Ausgang des Integrators (22) mit dem Eingang (10) der Zwischen-Verstärkerstufe (4a) verbunden ist, zur Ableitung vom Eingangssignal (6) der Verstärkerstufe (4a), unddaß eine logische Detektorschaltung (18) vorgesehen ist, deren Eingang das durch die Verstärker-Anordnung (12) abgegebene Signal empfängt, wobei die logische Detektorschaltung (18) zwei Ausgänge aufweist, deren einer den ersten Unterbrecher (P ) steuert und deren zweiter einen zweiten Unterbrecher (P. ) steuert, der zwischen dem Eingang (20) des Integrators (22) und Masse angeschlossen ist, wobei die logische Detektorschaltung so ausgebildet ist, daß sie den ersten Unterbrecher (P-.) öffnet und den zweiten Unterbrecher (P. ) schließt, wenn an seinem Eingang ein Impuls mit schnellen Änderungen anliegty und daß sieden ersten Unterbrecher (Pa) schließt und den zweiten Unterbrecher (P^) öffnet, wenn das an ihrem Eingang anliegende Signal langsame Änderungen aufweist oder ein Gleichsignal ist.609833/08702609 Π 12. Stabilisator nach Anspruch 1, cadurch gekennzeichnet, daß die logische Detektorschaltung (18) enthälteine erste Einrichtung, die mit dem Eingang (M) der logischen Detektorschaltung (18) verbunden ist,um ein Signal mit erstem Logikpegel zu erzeugen, wenn das am Eingang (M) anliegende Signal positiv mit schnellen Änderungen ist und um ein Signal mit zweitem Logikpegel in allen anderen Fällen zu erzeugen,eine zweite Einrichtung, die mit dem Eingang (M) der logischen Detektorschaltung (18) verbunden ist, um ein Signal mit erstem Logikpegel zu erzeugen, wenn das am Eingang (M) anliegende Signal negativ mit schnellen Änderungen ist und um ein Signal mit zweitem Logikpegel in allen anderen Fällen zu erzeugen undeine, logische. Signalverarbeitungseinrichtung der durch die erste und die zweite Einrichtung erzeugten Signale.3. Stabilisator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung enthält-1Oeinen Diskriminator (D, ) mit einem Direkteingang (30) und einem invertierenden Eingang (32),das an beiden Eingängen anliegende Signal,eine Einrichtung, um zwischen den beiden Eingängen (30, 32) eine Schwellenspannung anzulegen undam invertierenden Eingang (32) einen zwischen ihm und Masseliegenden Kondensator (C1).609838/08702 6 U 9 O 1 3-U-H. Stabilisator nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, da3 die zweite Einrichtung aufweisteinen Diskriminator QX) mit einem Direkte ingang (50') und einem invertierenden Eingangaas die beiden Eingänge (30, 32) speisende Signal,eine Einrichtung um zwischen ^en beiden Eingänge (30' , 32' ) eine Schwellenspannung anzulegen undZV?ischen dem Direkteingang (30) und Masse liegend einen Kondensator (C' ^ ).5. Stabilisator nach einem der Ansprüche 2 bis H-, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Signalverarbeitungseinrichtung enthälteinen ersten Inverter (H-O), der mit dem Ausgang der ersten Einrichtung verbunden ist,einen zweiten Inverter (^2), der mit dem Ausgang der zweiten Einrichtung verbunden ist,ein !NAND-Glied (HH-) mit zwei Eingängen, deren jeder mit dem Ausgang einer der Inverter (HO) verbunden ist undeinen dritten Inverter (H-G), der mit dam Ausgang des NAND-Glieds (HH-) verbunden ist, wobei das Ausgangssignal des NAND-Glieds den ersten Unterbrecher (Pe) steuert und das A us gangs signal des dritten Inverters (H-6) den zweiten Unterbrecher (P, ) steuert.6098 3 8/0870A*Leerseite
Applications Claiming Priority (1)
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