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Logisches Element und aus logischen Elementen aufgebauter Schaltkreis
Die Erfindung betrifft logische Elemente mit Magnetkernen und aus diesen Elementen
aufgebaute Schaltkreise zum Durchführen logischer Operationen. Logische Elemente
bestehen im allgemeinen aus zumindest einem Magnetkern mit rechteckförmiger Hysteresisschleife,
auf den eine Primärwicklung zum Einschreiben eines binären Eingangsimpulses, eine
Sekundärwicklung zum Bilden eines Ausleseimpulses und eine tertiäre Wicklung mit
parallel geschalteter Diode zum Übertragen des Ausleseimpulses auf ein nachfolgendes
Element aufgewickelt sind.
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Für den einwandfreien Betrieb eines logischen Elements mit nur einem
Magnetkern ist Voraussetzung, daß die Charakteristik des Kerns exakt der Rechteckform
entspricht, was in der Praxis bekanntermaßen große Schwierigkeiten bereitet. Weitere
Schwierigkeiten ergeben sich daraus, daß die an die Impulsquelle anzuschließende
Lastimpedanz sich mit dem jeweiligen Operationszustand des Magnetkerns ändert, was
die Zuführung eines geeigneten Impulsstroms zum Betrieb des Elements sehr erschwert.
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Logische Elemente mit zwei Magnetkernen weisen demgegenüber den Vorteil
auf, daß kleinere Abweichungen der Kerncharakteristiken von der idealen Rechteckform
von geringerer Bedeutung sind, doch zeigen diese Elemente andere schwerwiegende
Nachteile. Da der Einschreibvorgang lediglich mittels eines Eingangs-Informationssignals
erfolgt, muß dessen Intensität sehr hoch sein. Demgemäß besteht stets die Gefahr,
daß unvollständige Einschreibevorgänge erfolgen, und es ist kaum möglich, ein Ausgangssignal
mit konstanter Intensität zu erhalten. Aus diesen Gründen kann auch in der Eingangsseite
eines derartigen logischen Elements keine unabhängige logische Operation durchgeführt
werden, sondern nur in Kombination mit der Ausgangsseite, was den Aufbau eines komplexen,
aus einer Vielzahl von Elementen bestehenden Kreises beträchtlich erschwert. Ferner
ist es nicht möglich, mehrere Abzweigkreise anzuschließen, da die Energie des von
einem einzigen logischen Element abgeleiteten Ausgangs-Informationssignals zwangläufig
beschränkt ist. Schließlich ist die Betriebsgeschwindigkeit derartiger Elemente
gering, da das Umschalten der jeweiligen Zustände des Restmagnetismus beider Kerne
lediglich mittels der Eingangssignale erfolgt.
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Ziel der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und
ein logisches Element zu schaffen, das auch bei schwachen Eingangs-Informationen
eine vollständige Einschreibeoperation gewährleistet und Ausgangssignale konstanter
Intensität abgibt. Die Ausgangsintensität soll dabei so groß sein, daß eine Vielzahl
von Abzweigleitungen angeschlossen werden können. Ferner ist es Ziel der Erfindung,
das logische Element derart auszubilden, daß es unabhängig von der logischen Operation
der Ausgangsseite vielfältige logische Operationen durchführen kann.
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Das logische Element soll schließlich zu logischen Kreisen ausbaufähig
sein, die keine anderen Glieder als Magnetkerne, Wicklungen und Torschaltglieder
aufweisen und eine hohe Operationsgeschwindigkeit besitzen.
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Die Erfindung geht aus von einem logischen Element mit zwei Magnetkernen,
einem Einschreibekreis, einem Rückstellkreis und einem Auslesekreis, und zeichnet
sich dadurch aus, daß zusätzlich ein Einschreibe-Vormagnetisierungskreis aus zwei
in Reihe geschalteten, auf die Kerne gewickelten Spulen, und ein zweiter Einschreibekreis,
der ebenfalls aus zwei in Reihe geschalteten, auf die Kerne gewickelten Spulen besteht,
vorgesehen sind. Dabei erzeugt der Vormagnetisierungskreis bei Ankunft einer Einschreibe-Information
eine Magnetkraft etwa gleicher Größe, aber umgekehrter Richtung wie der Rückstellkreis,
wodurch
selbst bei schwächsten Eingangssignalen intensive Ausgangssignale erzeugbar sind,
während der zweite Einschreibekreis bei Ankunft einer Eingangs-Information mit einem
konstanten Impulsstrom gespeist wird, dessen Amplitude einem ungeraden Vielfachen
der halben Amplitude der Einschreibe-Information entspricht, wodurch es möglich
ist, im Element von seiner Ausgangsseite unabhängige logische Operationen durchzuführen.
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Die Gatter können aus nichtlinearen Gleichrichtern bestehen. Nach
einer anderen Weiterbildung der Erfindung können aber auch die Gatter aus Transformatoren
mit Kernen im wesentlichen rechteckiger Charakteristik bestehen, deren Sekundärwindungen
in den Auslesekreis eingeschaltet sind und deren Primärwicklungen von einem Vormagnetisierungsstrom
durchflossen sind, der außer während der Zeitdauer der gewünschten Ausleseimpulse
eine hohe, dem Strom im Auslesekreis entgegengerichtete Impedanz hervorruft.
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Die Auslesespulen sind zweckmäßig in an sich bekannter Weise in Windungsrichtung
der Einschreibespulen gewickelt.
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Für die Übertragung einer Veränderlichen mit Hilfe eines logischen
Kreises aus zwei erfindungsgemäßen Elementen sind vorteilhafterweise die Einschreibespulen
des zweiten Elements und die Endklemmen des ersten Elements entgegen der Flußrichtung
des konstanten Impulsstromes des zweiten Elements miteinander verbunden.
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Ein logischer Kreis aus drei Elementen nach der Erfindung ist zweckmäßigerweise
derart ausgebildet, daß das dritte Element mit zwei Einschreibekreisen versehen
ist, deren einer in positiver Richtung als eine der beiden Lastimpedanzen des ersten
Elements und deren anderer in negativer Richtung als eine der beiden Lastimpedanzen
des zweiten Elements dient, wobei der konstante Impulsstrom des dritten Elements
für »Oder«-Verknüpfung positiv und für »Und«-Verknüpfung negativ gewählt ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung, insbesondere auch
die Kombination erfindungsgemäßer Elemente zu logischen Kreisen, ergeben sich aus
der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen. In der Zeichnung sind einige
Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen A b
b. 1. a, 1 b und 1 c Schaltbilder von drei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung,
A b b. 2 a ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Schaltungsanordnungen von A b
b. 1, A b b. 2 b Zeitgeber-Impulsfolgen für die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen,
A b b. 3 Hysteresiskennlinien von Magnetkernen, wie sie bei der Erfindung verwendet
sind, A b b. 4 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Amplitude
des Ausleseimpulses und der Zahl der Abzweigungen darstellt, A b b. 5 eine graphische
Darstellung experimentell gefundener Werte, welche die Beziehung zwischen dem Auslesesignal
und der resultierenden Einschreibeamplitude zeigt, A b b. 6, 7, 10, 12 a und 13
weitere Ausführungsformen der Erfindung.
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A b b. 8 a, 8 b, 9 a, 9 b. 11, 12 b, 14 a und 14 b symbolische
Schaltbilder zur jeweiligen Erläuterung der Ausführungsformen nach den A b b. 6,
7, 10, 12 a und 1.3, A b b. 15, 16 und 17a drei weitere Ausführungsformen der Erfindung.
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A b b. 17b schematisch die Schaltung nach Abb. 17a, A b b. 17c eine
symbolische Darstellung zur Erläuterung der Schaltung nach A b b. 17 a.
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A b b. 18 eine Darstellung der Verknüpfung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, A b b. 19, 20a und 21 drei weitere Ausführungsformen der Erfindung.
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A b b. 20b eine symbolische Darstellung der Schaltung von A b b. 20
a und A b b. 22 eine Kennlinie einer »Rückwärtsdiode«. Gemäß A b b. 1 a sind auf
die Magnetkerne Ml und M." deren jeder eine rechteckförmige Hysteresischarakteristik
gemäß A b b. 3 aufweist, gewickelt: 1. Einschreibewicklungen Ni, N2 und N.; für
die Zuführung eines Einschreibesignals in Impulsform von irgendeiner vorhergehenden
Stufe, 2. eine weitere Einschreibewicklung N,. für die Zuführung eines konstanten
Impulsstromes, 3. eine Einschreibe-Vormagnetisierungswicklung W für die Zuführung
eines Vormagnetisierungsstromes, welcher den Einschreibevorgang unterstützt, 4.
eine Rückstellwicklung S für die Zuführung eines Rückstell-Impulsstromes, der den
Zustand jedes Magnetkerns vor dem Einschreibevorgang in seinen ursprünglichen Zustand
zurückbringt, und 5. eine Auslesewicklung N, zum Auslesen der Magnetkerne zu dem
Zeitpunkt, wenn ein Ausleseimpulsstrom 1, zu dieser Wicklung während der Ausleseperiode
gelangt.
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Die Einschreibewicklungen N1, N., und N.; (erster Einschreibekreis),
die Konstantsignalwicklung N,. (zweiter Einschreibekreis) und die Auslesewicklung
No sind auf die beiden Magnetkerne Ml und M., in jeweils gleicher Richtung gewickelt.
während die Vormagnetisierungswicklung W und auch die Rückstellwicklung S in jeweils
entgegengesetzter Richtung auf die beiden Kerne gewickelt sind. An den Spulen der
Auslesewicklung N, sind Torschaltelemente (Gatter) G1 und G., angeschlossen und
an diesen Lastimpedanzen Z1 und Z.,. Klemmen X und X greifen den Auslesestrom zwischen
den Gattern und den Lastimpedanzen ab.
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Bei dieser Schaltung wird dem magnetischen Torelement ein Vormagnetisierungsstrom
gleichzeitig mit Ankunft eines Einschreibe-Vormagnetisierungsstromes zugeführt,
wodurch eine hohe Impedanz gegenüber dem in der Ausgangswicklung fließenden Strom
erhalten wird.
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In A b b. 1 c ist eine weitere Ausführung gezeigt, bei der Gleichrichterelemente,
wie z. B. Dioden, als Gatter verwendet sind. Wenn in diesem Fall ein Einschreibe-Vormagnetisierungsstrom
zugeführt wird, so nimmt der aus der Ausgangswicklung bestehende Stromkreis eine
hohe Impedanz an in übereinstimmung mit einer nichtlinearen Charakteristik der Gleichrichterelemente,
dagegen aber eine niedrige Impedanz bei Zuführen eines Auslesestromes Ir. In den
Schaltungen nach A b b. 1 a, 1 b urd 1 c sind die Impedanzen der Eingangswicklung
der nächsten Stufe durch Z1 und Z., dargestellt.
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A b b. 2 a zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau der Schaltungsanordnung
nach A b b. 1. Das
System ist in zwei Gruppen unterteilt, die von
zwei Zeitgeberphasen zyklisch umgeschaltet werden. E: sei angenommen, daß sich die
Schaltung zunächst in einer ersten Phase befindet. Zur Zeit t1 wird ein Rückstell-Impulsstrom
IS, dessen Amplitude groß genug ist, um den Magnetkern in den Zustand von B, in
der größeren Hysteresisschleife von A b b. 3 zu bringen, der Wicklung S zugeführt,
welcher die Magnetkerne M1 und M2 in die Zustände von -B, und +B, bringt. Diese
Zustände sollen im folgenden jeweils mit (-) und (+) bezeichnet werden.
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Dann wird zur Zeit t.. ein Vormagnetisierungsimpulsstrom I", mit einer
Amplitude, die eine Magnetisierung entsprechend der Koerzitivkraft des Magnetkernes
hervorruft, der Wicklung W zugeführt, wodurch in den Magnetkernen M, und M2 jeweils
Magnetkräfte +H, und -H, induziert werden.
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Gleichzeitig mit dem Aufprägen des Vormagnetisierungsstromes I", auf
die Spule W werden auf die Eingangswicklungen Ni, N2 und N3 Einschreibesignale gegeben
und außerdem der Wicklung N, ein konstantes Impulssignal I, aufgeprägt. Polarität
und Amplitude des Impulssignals 1, werden dabei, wie später im einzelnen
beschrieben, gemäß der in der Eingangsseite auszuführenden logischen Operation gewählt.
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Wenn das resultierende Signal der Logiken an der Eingangsstufe positiv
ist und +11 entspricht, wird der dem Magnetkern M1 zugeführte wirksame Impulsstrom
(+1l +1",), wodurch der Magnetkern M1 in den Zustand von +B, gelangt (zu dem Punkt
c in A b b. 3).
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Weiterhin wird der effektive Impulsstrom, welcher dem Magnetkern M2
zugeführt wird, zu (-f-11 -I",), so daß der Zustand des Magnetkernes M2 nicht
geändert wird und in dem Zustand +B, verbleibt (Punkt b in A b b. 3).
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In dem oben angenommenen Fall sind somit beide Magnetkerne M1 und
M2 im (+)-Zustand.
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Wenn jedoch das resultierende Signal der Logiken an der Eingangsstufe
negativ ist und -11 entspricht, so wird der dem Magnetkern M1 zugeführte Impulsstrom
zu (-11 +1",) und der dem Magnetkern M., zugeführte Impulsstrom zu (-Il -I",), wodurch
der Zustand des Magnetkernes M2 in denjenigen des Punktes d in A b b. 3 geändert
wird. In diesem Fall sind dann beide Magnetkerne M1 und M2 im (-)-Zustand. Wie oben
beschrieben, wird das resultierende Signal der Logiken an der Eingangsstufe in die
Schaltung eingeschrieben und das Einschreibesignal in den Magnetkernen bis zur nächsten
Ausleseperiode gespeichert.
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Wenn der Ausleseimpulsstrom 1, zur Zeit t. der Ausgangswicklung No
zugeführt wird, so nimmt die Impedanz einer der auf die Magnetkerne M1 und M., aufgewickelten
Ausgangswicklungen gegenüber dem Strom I, eine hohe Impedanz an, die Impedanz der
anderen Spule dagegen nimmt entsprechend den Kernzuständen ab.
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Wenn beispielsweise die Zustände der beiden Magnetkerne (+) sind und
ein Ausleseimpulsstrom I, zugeführt wird, wird dieser Strom I, in zwei Ströme Il
und 12 geteilt, wie es in A b b. 1 gezeigt ist. Durch einen Strom 1i kann der Kern
M1 nur von einem magnetischen Zustand entsprechend dem Punkt c seiner Hysteresisschleife
in einen Punkt e (A b b. 3) gebracht werden, wobei letzterer Punkt einer niedrigen
Kernimpedanz entspricht. Dagegen bringt der Strom 12 den Kern M2 aus dem Zustand
entsprechend Punkt b seiner Hysteresisschleife in den Punkt f (Ab
b. 3), wodurch der Kern eine hohe Impedanz annimmt. Nach der Zuführung des Ausleseimpuls-5
Stromes 1, erreicht der Zustand des Magnetkernes M., den Punkt g in A b b. 3. Infolgedessen
ist der größte Teil des Ausleseimpulsstromes I, der Strom 11, und es ist
der Strom 12 viel kleiner als der Strom Il.
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Wenn andererseits beide Magnetkerne M1 und M2 im Zustand (-) sind,
nimmt die Ausgangswicklung des Kernes M1 eine hohe Impedanz gegen den Auslesestrom
1, an und die Ausgangswicklung des Kernes M., eine niedrige, wodurch der größte
Teil des Stromes 1, als Strom 12 fließt.
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Wie oben beschrieben, behält der eine hohe Impedanz annehmende Magnetkern
seine hohe Impedanz während des Auslesevorgangs bei und wird in seinem Zustand entsprechend
etwa dem Punkt f in A b b. 3 festgehalten. Der Punkt f hängt von der Belastung ab
und neigt dazu, sich mit abnehmender Last nacheinander zu den Punkten
f a, f b, f c usw. zu bewegen, wie es in A b b. 3 gezeigt ist.
Jedoch ist das dem Kern durch die Änderung des Punktes f aufgeprägte Feld im wesentlichen
konstant, so daß der Ausgangsstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird. Die
Änderung des Auslesesignals infolge einer Änderung der Last zeigt eine sehr günstige
konstante Charakteristik, wie sich aus dem experimentellen Ergebnis gemäß A b b.
4 ergibt, wobei das Auslesesignal eine Wellenform aufweist, welche vollständig derjenigen
des Zeitgeber-Impulsstromes entspricht.
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Die Ergebnisse nach A b b. 4 und 5 sind für den Fall erhalten worden,
daß die folgenden Wicklungen und Kerne verwendet worden sind: Ni = 3 Windungen N,
= 3 Windungen W = 1 Windung S = 1 Windung Nu = 45 Windungen Der Ferritkern
hat einen äußeren Durchmesser von 2 mm, einen inneren Durchmesser von 1,2 mm und
eine Höhe von 0,6 mm. Infolgedessen ist die Wellenform des Ausgangsstromes Il sehr
günstig und entspricht etwa derjenigen des Zeitgeber-Impulsstromes.
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Da der Zeitgeber-Impulsstrom von einer Impulsquelle geliefert wird,
welche eine konstante Amplitude erreichen kann, wird der Ausgangsstrom (Auslesestrom)
der Schaltung vollständig verstärkt und begrenzt. Diese Ausgangsströme 1i und I2
werden dem Eingangskreis der nächsten Stufe als Eingangssignale (Einschreibesignale)
zugeführt. Da auf diese Weise, wie oben beschrieben, das Eingangssignal als korrigierter
konstanter Impulsstrom zugeführt wird, ist die Wirkung des Binär-Impulsstromes sehr
günstig, wodurch eine vollständige Speicherung des Informationssignals in den Kernzustand
ermöglicht wird. Dies ergibt sich auch aus dem experimentellen Ergebnis von A b
b. 5, sogar in dem Fall, wenn ein Eingangssignal mit einem geringeren Wert verwendet
wird, wodurch ein verstärktes und begrenztes Ausgangssignal erhalten werden kann.
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Wenn zur Zeit t¢ genau der gleiche Rückstellstrom IS wie zur Zeit
t1 der Rückstellwicklung S zugeführt wird, so wird der Zustand des Magnetkernes
M1 in den Punkt a (Ab b. 3) gebracht und derjenige des Magnetkernes M.2 vom
Punkt g in den Punkt b, wodurch beide Kerne in ihre anfänglichen Zustände zurückgestellt
sind.
Damit wird die Operation in der gleichen Weise wie oben beschrieben wiederholt.
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Der Strom im Auslesekreis kann mittels Dioden während der Einschreibeperiode
unterdrückt werden, wie bereits beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, den Strom
im Auslesekreis durch die innere Impedanz der Kraftquelle zu verhindern.
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Durch die besonderen Eigenschaften der Schaltungsanordnung nach A
b b. 1 werden die folgenden Vorteile erzielt: 1. Trotz Änderung der Lastimpedanz
wird infolge der teilweisen Umschaltung der hohen Impedanz stets ein genau definierter
Ausgangssignalstrom erhalten.
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2. Der Rückstellstrom 1, kann die Schaltung in ihren anfänglichen
Zustand zurückbringen, jedesmal, wenn die Ausleseperiode abgelaufen ist, wodurch
eine sichere Operation mit hoher Geschwindigkeit sichergestellt ist.
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3. Es sind keine anderen Schaltelemente als Magnetkerne und Torelemente
erforderlich.
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4. Der Vormagnetisierungs-Einschreibeimpulsstrom I", nimmt an der
vollständigen Speicherung des Eingangsinformationssignals in den Magnetkern teil.
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5. Es ist möglich, viele Abzweigungen zu erhalten. 6. Da die Einschreibeperiode
von der Ausleseperiode getrennt ist, werden die Logiken an der Eingangsstufe und
der Ausgangsstufe unabhängig gebildet.
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7. Die gewünschte Kombination der Logiken sowohl an der Eingangs-
als an der Ausgangsstufe ist exakt erreichbar. Mit Hilfe der Wicklung N, der ein
konstantes Signal einer Amplitude gleich einem ungeraden Vielfachen der halben Informationsamplitude
aufgeprägt wird, ist es möglich, sowohl ungeradzahlige als auch geradzahlige Kombinationen
von Eingangs-Informationssignalen zu bilden. Darüber hinaus wird die Möglichkeit
geschaffen, verschiedene Arten von logischen Operationen durchzuführen. Als Beispiele
sollen nachfolgend Fälle beschrieben werden, bei denen die Amplitude des konstanten
Signals lt. dem Einhalb-bzw. dem Dreihalbfachen der Amplitude der Eingangs-Informationssignale
entspricht. Der durch das Einschreiben der Informationssignale in die Kerne sich
ergebende Kern - Restmagnetismus - erhält dabei die richtige, positive oder negative
Polarität, unabhängig von der Polarität und der jeweiligen Kombination der Informations-Eingangssignale.
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Infolge der obengenannten günstigen Charakteristik kann die erfindungsgemäße
Schaltanordnung mit einer hohen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit irgendeine komplizierte
logische Operation nicht nur an der Eingangsstufe, sondern auch an der Ausgangsstufe
ausführen.
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A b b. 6 zeigt eine Schaltung, in welcher eine Einzelübertragung des
Informationssignals durchgeführt wird. In der Schaltung nach F i g. 6 ist eine der
Ausgangsklemmen X des Schaltelementes x mit der Einschreibewicklung Ni des
Schaltelementes y in positiver Richtung verbunden, und ein konstanter Signalstrom
I, welcher gleich dem halben Betrag des der Binär-Information »1« entsprechenden
Signalstroms ist, wird der Wicklung N,. des Elements y in negativer Richtung zugeführt.
Wenn die Information im Element x in Binär-Schreibweise » 1 « entspricht, wird an
der Klemme X der Ausgangsstrom 1i erhalten. Dies hat zur Folge, daß ein positives
Eingangssignal zum Element y gelangt, und es entsteht ein Ausgangssignal an der
Ausgangsklemme Y des Elements y.
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Wenn andererseits die Information im Element x der Ziffer »0« der
Binär-Schreibweise entspricht, erscheint kein Ausgangssignalstrom an der Klemme
X. Dies hat zur Folge, daß ein negatives Impulssignal an das Element y gelegt wird,
so daß kein Ausgangssignal an der Klemme Y des Elements y entsteht. Diese Vorgänge
sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen, kann somit eine Veränderliche übertragen werden.
Eine andere Einzelübertragungsschaltung ist in A b b. 7 gezeigt. Bei dieser Schaltung
ist die Klemme X des Elements x mit der Eingangssignalwicklung des zweiten Elements
y in negativer Richtung verbunden, und der konstante Signalstrom h. wird der Konstantstromwicklung
N,. des Elements y in positiver Richtung zugeführt.
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Wenn das Element x ein Signal entsprechend »l«
in Binär-Schreibweise
erhält, tritt kein Ausgangssignal an der Klemme T auf, jedoch verändert ein positives
Eingangssignal den Zustand des Elements y, so daß ein Ausgangssignal an den Klemmen
Y des Elements y erhalten wird.
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Wenn andererseits dem Element x ein Signal entsprechend »0« in Binär-Schreibweise
zugeführt wird, erscheint ein Ausgangssignal an der Klemme X, und das negative Eingangssignal
am Element y ändert den Zustand des Elements y nicht, so daß an der Klemme Y kein
Ausgangssignal erhalten wird.
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Diese Operationen entsprechen den Logiken der Tabelle 1. Die Lastimpedanzen
ZL .= in A b b. 6 und ZL i in A b b. 7 entsprechen jeweils den Eingangsimpedanzen
der nachfolgenden logischen Elemente. Diese Schaltungen nach A b b. 6 und 7 sind
symbolisch in A b b. 8 a und 8 b gezeigt, in welchen die großen Kreise die Elemente
darstellen sollen. Eine von links nach rechts verlaufende kräftige Linie zeigt die
Verbindung einer Ausgangsklemme mit der nachfolgenden Eingangsklemme; ein kleiner
Kreis bezeichnet die Klemmen X des Elements x und der kurze Querstrich auf der Verbindungslinie
die Verbindung der Eingangsklemme in negativer Richtung; (-) in dem großen Kreis
bezeichnet ein konstantes Stromsignal, das in negativer Richtung zugeführt wird.
und (-) in dem großen Kreis bedeutet ein konstantes Stromsignal, das in positiver
Richtung zugeführt wird. In A b b. 9 a und 9 b ist die Anordnung von »Nein«-Kreisen
gezeigt. Weiterhin können Abzweigungen durch Serienschalten der Eingangswicklungen
vieler Elemente yi, y2, . .. y" der Ausgangsstufe erhalten werden, wie es in A b
b. 10 gezeigt ist. Dies ist auch symbolisch in A b b. 11 dargestellt.
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Während sich die bisherige Beschreibung auf die Übertragung einer
Veränderlichen bezieht, soll eine
logische Schaltung für zwei Veränderliche
im folgenden beschrieben werden. A b b. 12a zeigt eine logische Schaltung für zwei
Veränderliche, und zwaa für eine logische Summe. Es sei angenommen, daf die Eingangs-Veränderlichen
beispielsweise x und y sind. Die Eingangsklemme X des einen Schaltelementes x ist
mit einer Eingangswicklung des Schaltelements z der nächsten Stufe in positiver
Richtung verbunden, wodurch +X an der Ausgangsseite des Elementes z dargestellt
ist. Andererseits ist die Ausgangsklemme Y des Schaltelements y mit einer anderen
Eingangswicklung des Schaltelements z in negativer Richtung verbunden, wodurch -Y
an der Ausgangsseite des genannten Elements z dargestellt ist. Weiterhin wird ein
konstantes Signal h" welches gleich der Hälfte des Ausgangssignals X ist, der Konstant-Eingangswicklung
N, in positiver Richtung zugeführt, wodurch +C an der Ausgangsseite des Elements
z dargestellt ist. Diese Verknüpfungen, bezogen auf die Verbindungen an der Eingangsstufe,
können durch die folgende Gleichung dargestellt werden: Z=X-Y+C. (1)
(1) Wenn
x = 0 und y = 0, X = 0 und Y = 1, so
ergibt sich: Z=0-1+'/2=-'/2,
wodurch das Eingangssignal des Elements z negativ wird und sein Ausgangssignal der
Binärziffer »0« entspricht.
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(2) Wenn x = 1 und y = 1, X = 1 und Y = 1, so
ergibt
sich: Z=1-1+1/2=+1/2, wodurch das Eingangssignal des Elements z positiv wird und
sein Ausgangssignal der Binärziffer »l«
entspricht.
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(3) Wenn x = 0 und y = 1, X = 0 und Y = 0, so ergibt sich: - 0 +'/2
= +1/2.
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Dies ist der gleiche Fall wie bei (2), so daß ein Ausgangssignal entsprechend
der Binärziffer »1« vom Element z abgegeben wird.
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(4) Wenn x = 1 und y = 1, X = 1 und Y = 0, so
ergibt
sich: Z = 1 - 0 + 1/2 = 3/2,
wodurch das Eingangssignal
dieses Elements z positiv wird und sein Ausgangsstrom der Binärziffer »1« entspricht.
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Die obengenannten logischen Operationen werden so summiert, wie in
der folgenden Tabelle 2 gezeigt ist.
| Tabelle 2 |
| x Y z |
| 0 0 0 |
| 1 0 1 |
| 0 1 1 |
| 1 1 1 |
Der Kreis nach A b b. 12 a kann gemäß A b b. 12 b symbolisch dargestelltwerden.
Wenn in dem logischen Kreis nach A b b. 12 a der konstante Signalstrom 1, in negativer
Richtung zugeführt wird, ändert sich die Gleichung (1) folgendermaßen: Z=X-Y-C.
(2)
Die Gleichung (2) stellt ein sogenanntes logisches Produkt dar. Logische
Operationen mit zwei Veränderlichen, die durch die Gleichungen (1) und (2) dragestellt
werden, können so summiert werden, wie in Tabelle 3 gezeigt:
| Tabelle 3 |
| Logiken Verknüpfungen |
| der Eingangswicklungen |
| x+y X-Y+C |
| .x+Y X-Y+C |
| x y X-Y-C |
| .x . y X-Y-C |
| x Y X-Y-C |
| x . Y X-Y-C |
| x+1 Y X-Y+C |
| x+x y X-Y+C |
Weiterhin soll eine logische Schaltung für drei Veränderliche in Verbindung mit
A b b. 13 beschrieben werden, in welcher drei Eingangssignale x, y und z jeweils
den Eingangsschaltelementen x, y und z zugeführt werden. Die Ausgangsklemmen
X, Y und Z der Elemente x, y und z sind jeweils mit je einer der Eingangswicklungendes
Schaltelements F der nächsten Stufe in positiver Richtung bzw. in positiver und
negativer Richtung verbunden, und der konstante Strom I, wird der Konstantstromwicklung
N, des Elements -Ü in negativer Richtung zugeführt, wobei der Strom I,, so gewählt
ist, daß er einem ungeraden Vielfachen eines Ausgangssignals »1« entspricht. Diese
Schaltung ist durch die folgende Gleichung (3) darstellbar: U=X+Y-Z-C.
(3)
(1) Wenn x = 0, y = 0 und z = 0, wird das Ausgangssignal der Schaltelemente
x, y und z jeweits »0« und »1«, wodurch die Gleichung (3) folgendermaßen lautet:
u=0+0-1-1/2=-3/2.
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Demgemäß wird dem Schalteleihent 17 ein negatives Eingangssignal
zugeführt; wodurch ein Ausgangssignal entsprechend der Binärziffer »0« von dem Element
TI abgegeben wird.
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In gleicher Weise werden die folgenden Resultate erhalten: (2) Wenn
x = 1, y = 0 und z = 0 oder X = 1,
Y = 0, Z = 1, so ergibt sich u =
1 + 0 - 1 - 1/2 = -1/2.
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(3) Wenn x = 0, y = 1. und z = 0 oder X = 0, Y = 1, Z = 1, so ergibt
sich u=0+1-1-1/=-1/2. In jedem dieser Fälle (2) und (3) wird von dem Element *U
ein Ausgangssignal entsprechend der Binärziffer »0« erhalten. Die Schaltung nach
A b b. 13 ist symbolisch durch A b b. 14 a dargestellt. A b b.13
und
14 zeigen eine logische Operationsschaltung nach Art der Majoritätsentscheidung
und können durch die folgende logische Gleichung (4) dargestellt werden: u=xyz+Xyz+xyz+xyz.
(4) Die obenerwähnten Darstellungen werden summiert, wie in der folgenden Tabelle
4 gezeigt ist:
| Tabelle 4 |
| x 1 y 1 z 1 U x y z U |
| 0 0 0 0 1 1 0 1 |
| 1 0 0 0 1 0 1 1 |
| 0 1 0 0 0 1 1 1 |
| 0 0 1 0 1 1 1 1 |
Als ein anderes Beispiel für drei veränderliche Eingangssignale kann die folgende
Verknüpfung gebildet werden: u=X+Y-Z+C.
(5)
Dieser Fall ist symbolisch in
A b b. 14b gezeigt und durch die folgende Gleichung (6) darstellbar: u=x+y+z.
(6)
Die logische Operation dieses Kreises wird summiert, wie in der folgenden
Tabelle 5 gezeigt:
| Tabelle 5 |
| x y .. 1t |
| 0 0 0 0 |
| 1 0 0 1 |
| 0 1 0 1 |
| 0 0 1 1 |
| 1 1 0 1 |
| 1 0 1 1 |
| 0 1 1 1 |
| 1 1 I 1 |
Wenn, wie oben beschrieben, drei veränderliche Eingänge verwendet werden, so können
verhältnismäßig komplexe logische Operationen erfindungsgemäß durch nur ein einziges
Element erreicht werden.
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Einige Beispiele der Beziehungen zwischen den Logiken und den Verknüpfungen
der Eingangswicklungen für den Fall, daß I,. = Ih, ist durch die Tabelle 6 dargestellt:
| Tabelle 6 |
| Logiken Verknüpfungen |
| der Eingangswicklungen |
| xyz X-Y-Z-C |
| zyz X -Y-Z-C |
| xyz X -Y-Z-C |
| xyz X-Y-Z-C |
| Xyz X -Y-Z-C |
| xyz X-Y-Z-C |
| .xyz X -Y-Z-C |
| x+y+z X+Y-Z+C |
| z+y+z X+Y-Z+C |
| x+y+z X+Y-Z+C |
| Tabelle 6 (Fortsetzung) |
| Logiken Verknüpfungen |
| der Eingangswicklungen |
| x+y+z X A- Y-Z+C |
| X+y+z X+Y--Z-#-C |
| z+y+z X-Y-Z+C |
| x+y+z X-, Y--Z+C |
| X+y+z X-LIY-Z+C |
| xyz+zyz+xyz-rxyz X+ Y-Z-C X-Y-Z+C |
| xyz+Xyz+xyz+Xyz X-- Y- Z- C X-Y-Z+C |
| xyz+xyz+xyz+xyz X--Y-Z-C X-Y-Z + C |
| xyz+xyz+xyz+xyz X-Y-Z-C X-Y-Z+C |
| zyz+Xyz+xyz+xyz X+Y-Z-C X-Y-Z+C |
| Xyz+Xyz+xyz--@Xyz X-r-Y-Z-C X-Y-Z+C |
| xyz+xyz+xyz+xyz X+Y-Z-C X-Y-Z+C |
| xyz+zyz+Xyz+xyz XA-Y-Z-C X-Y-Z+C |
Wenn der konstante Strom I,. gleich :ü'= gewählt wird, können weitere logische Operationen
erhalten werden.
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Offensichtlich ist es leicht möglich, verschiedene logische Operationen
für ein System mit vier Veränderlichen, fünf Veränderlichen usw. aufzubauen. Weiterhin
können durch beliebige Wahl des Stromes h. (Vielfache von ';'z) die Arten der logischen
Operationen weiter vergrößert werden.
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Wie oben angegeben, müssen die einzelnen Elemente exakt arbeiten,
um komplexe logische Operationen sicherzustellen. Die Genauigkeit einer logischen
Operation hängt von der Genauigkeit der magnetischen Flußumsteuerung in den Magnetkernen
der Schaltelemente ab. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, müssen deshalb die
verschiedenen Schaltströme konstante Stromcharakteristiken aufweisen. Der Absolutbetrag
der Ströme muß am letzten Schaltelement noch völlig gleich sein dem am ersten Schaltelement,
eine Phasenabweichung darf nicht auftreten, und insbesondere ist es notwendig, daß
die Zuführung der Impulsströme I, und I". zur gleichen Zeit mit der anderer Phasenströme
erfolgt.
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Da jede der Binärwicklungen und Rückstellwicklungen nur aus einer
Windung besteht und ihre Impedanzen niedrig sind, treten Störungen nicht auf, sogar
dann nicht, wenn mehrere hunderte von Schaltelementen hintereinandergeschaltet sind.
Es ist aber erforderlich, daß die Impedanz der Stromquelle hoch ist, um eine konstante
Stromcharakteristik zu erhalten. Aus diesem Grunde werden im allgemeinen Schaltungen
mit Vakuumröhren, die eine geerdete Elektrode haben, verwendet.
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Der Ausleseimpulsstrom Ir kann an der Ausgangsklemme auf Abzweigungen
verteilt werden. Zu diesem Zweck kann ein konstanter Strom einer Stromquelle hoher
Impedanz einem aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Schaltelementen bestehenden
Kreis zugeführt werden. Ein derartiges System ist in F i g. 15 gezeigt, in welchem
Transformatoren T., und T4 verwendet sind, um den Schaltkreis unterteilt betreiben
und den Impulsstrom Ir zuführen zu können. Dabei ist ein Selbstvormagnetisierungskreis
vorgesehen, der aus einer CR-Parallel-Schaltung an jeder Ausgangsseite der Transformatoren
besteht, so daß die Impedanz an der Stromquellenseite gegenüber der Schaltelementseite
hoch ist.
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Wie in A b b. 16 gezeigt, kann auch der Konstantstrom h. von
den Transformatoren T- und TB, wie
im Fall der Zuführung des Impulsstromes
1" zugeführt werden. Das Wicklungsverhältnis der Transformatoren wird entsprechend
der geforderten Amplitude des Ausgangsstromes gewählt. Die Schaltanordnung nach
A b b. 16 ist fast gleich derjenigen nach A b b. 15, mit Ausnahme der Tatsache,
daß Dioden D an Stelle der CR-Kreise verwendet sind. Mit dem System nach A b b.
16 ist es möglich, mit dem konstanten Strom 1, eine sehr viel größere Anzahl von
Schaltelementen zu speisen als in dem Falle des Impulsstromes I" ohne daß eine Diodendämpfung
an den Ausgangsseiten der Schaltelemente auftritt.
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Wie oben beschrieben, nehmen die Ausgangswicklungen der Magnetkerne
Ml und M2 je nach dem Eingangssignal hohe Impedanz oder niedrige Impedanz an. Mit
anderen Worten, der Durchfluß des Impulsstromes I, durch irgendeine der Ausgangswicklungen
entspricht der Herstellung oder Unterbrechung eines Kontaktes in einer Relaisschaltung.
Da weiterhin in dem genannten System die Einschreibeperiode und die Ausleseperiode
voneinander vollständig unabhängig sind, kann eine logische Operation, welche analog
derjenigen einer Relaisschaltung ist, an der Ausgangsstufe erhalten werden, wobei
diese Operation vollständig unabhängig von derjenigen an der Eingangsstufe ist.
Eine entsprechende Ausführungsform ist in A b b. 17 a gezeigt, in welcher die Dioden
enthaltenden Ausgangswicklungen geteilt und in Übereinstimmung mit den geforderten
Logiken passend verbunden sind. Da in dieser Schaltung ein Ausgangssignal an der
Ausgangsklemme 1 nur dann erhalten wird, wenn x = 1, y = 1, bildet diese Schaltung
ein logisches Produkt. Die Schaltung nach A b b. 17 a kann symbolisch dargestellt
werden durch eine logische Relaisschaltung, wie sie in A b b. 17 b oder in A b b.
17 c gezeigt ist. In A b b. 17 c stellt der doppelte Kreis die Logiken der Ausgangsstufe
dar, und der Buchstabe A bezeichnet die »Und«-Schaltung.
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Eine der wirksamsten logischen Verknüpfungen an der Ausgangsstufe
ist ein schnell arbeitender Übertrager in Paralleladdition. In einem Paralleladdierwerk,
welches mit hoher Geschwindigkeit eine arithmetische Operation ausführen kann, begrenzt
die Übertragung die Operationsgeschwindigkeit. Um die Geschwindigkeitsbegrenzung
infolge der übertragung auszuschalten, sind viele Detektorschaltungen untersucht
worden, jedoch sind die meisten davon sehr verwickelt in ihrem Aufbau und erfordern
eine lange Anzeigezeit.
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Im Gegensatz dazu ist eine mit hoher Geschwindigkeit arbeitende übertraganzeigeschaltung,
welche aus den obengenannten Schaltelementen gemäß der Erfindung aufgebaut ist,
außerordentlich einfach und schnell. Dieser Kreis ist in Relaisdarstellung in A
b b. 18 gezeigt. Die Schaltverbindung der Ausgangswicklung einer Ziffer ist in A
b b. 19 dargestellt. Die Schaltungsausführung von A b b. 18 beruht auf den folgenden
arithmetischen Grundlagen.
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Es soll zunächst angenommen werden, daß die beiden numerischen Werte
G und H durch die folgenden Gleichungen darstellbar sind: G = g02,0 + g121 +.
g222 +. . . . + g121
+...+gn2n. H=ho20+h 21+h222+...+hi2i +...+1.2n.
In diesen Gleichungen stellen die Buchstaben gi und hi jeweils die Binärziffer »0«
und »1« dar.
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Die Summe D der Werte G und H wird durch die folgende
Gleichung dargestellt. D=d020+d121+d222+..#+di2i +...+dn2n+dn+12n+1. In diesem Fall
ergibt sich folgende Gleichung: di = Ci-lgihi + Ci-1gihi + Ci-lgthi + c1-19174
In dieser Gleichung bedeutet Ci-1 einen Übertrag von der niedrigeren Ziffer.
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Für den Übertrag c von der niedrigeren Ziffer aus ist: co = go ho
.
-
cl = g1 hl + g1 ho + hie. .
-
ei = gi hl + gi ei -1 + hi ei _ i .
en
= gn hn + gn en _ 1 + %2n en - i .
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Wie in A b b. 3 gezeigt, hat der Magnetkern mit hoher Impedanz vor
Übergang in den hohen Impedanzbereich einen Bereich geringerer Impedanz (b-b, Teil
in A b b. 3). Manchmal bewirkt dieser Bereich niedriger Impedanz des Kernes hoher
Impedanz eine Störung in den Logiken an der Ausgangsstufe, weil der sich auf diesen
niedrigen Impedanzteil beziehende Strom das wirksame Ausgangssignal vermindert.
Um diesen ungünstigen Strom auszuschalten, wird auch ein vormagnetisierender Impulsstrom,
dessen Amplitude genau derjenigen des ungünstigen Stromes entspricht, während der
Ausleseperiode der Vormagnetisierungsimpulswicklung W zugeführt. Dann können komplexe
Logiken an der Ausgangsstufe ohne Störung abgeführt worden. Wie vorher erwähnt,
werden dabei die kombinierten Logiken an der Eingangs- und Ausgangsstufe in Betracht
gezogen.
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Eine Darstellung der kombinierten Logiken ist in A b b. 20 a gezeigt,
worin »Und«-Logiken an den Ausgangsseiten der Schaltelemente v und w und »Oder«-Logiken
an den Ausgangsseiten der Schaltelemente
x und
y erhalten werden.
Das Resultat dieser Ausgangslogiken wird kombiniert mit dem Ausgang des Schaltelements
z, und dieses kombinierte Ergebnis wird den Eingängen des Schaltelements u, welches
eine »Und«-Verknüpfung der drei Signale bildet, zugeführt. In diesem Fall ist der
Konstantimpulsstrom zu 3/a gewählt und wird in negativer Richtung zugeführt. Die
symbolische Darstellung des Kreises nach A b b. 20 a ist in A b b. 20 b gezeigt.
Die logische Operation des Kreises nach A b b. 20 a ist in der Tabelle 7 aufgeführt.
| Tabelle 7 |
| 0 0 0 0 0 0 |
| 1 0 0 0 0 0 |
| 0 1 0 0 0 0 |
| 0 0 1 0 0 0 |
| 0 0 0 1 0 0 |
| 0 0 0 0 1 0 |
| 1 1 1 0 0 0 |
| 1 0 0 0 0 0 |
| 1 0 0 1 0 0 |
| Tabelle 7 (Fortsetzung) |
| _r y z u |
| 1 0 0 0 1. 0 |
| 0 1 1 0 0 0 |
| 0 1 0 1 0 0 |
| 0 1 0 0 1 0 |
| 0 0 1 1 0 0 |
| 0 0 1 0 0 0 |
| 0 0 0 1 1 0 |
| 1 l 1 0 0 0 |
| 1 1 0 1 0 0 |
| 1 1 0 0 1 0 |
| 1 0 1 1 0 0 |
| 1 0 1 0 1 0 |
| 1 0 0 1 1 0 |
| 0 1 1. 1 0 0 |
| 0 1 0 0 1 0 |
| 0 1 0 1 1 0 |
| 0 0 1 1 1 0 |
| 1 1 1 1. 0 0 |
| 1 1 1 0 1 0 |
| 1 1. 0 1 l 1 |
| 1 0 1 1. 1 0 |
| 0 1 1 1 1 0 |
| 1 1 1 1 1 1 |
Wie sich aus der vorgehenden Beschreibung ergibt, sind die verschiedensten Kombinationen
der Logiken an den Eingangs- und Ausgangsstufen erreichbar, und die Ausgangssignale
der Schaltelemente werden zu
>A« oder »0«, in Übereinstimmung mit der Binärzahl
»1« oder »0«.
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Wenn »--#l« und »-1«-Signale gewünscht werden, ist es vorteilhaft,
die Schaltelemente in einer Weise zu kombinieren, wie in A b b. 21 gezeigt ist.
In A b b. 21 besteht der Ausgangskreis aus einer Brückenschaltung, und die Ausgangssignale
+ 1 und -1 werden an den Klemmen To erhalten. Diese Schaltung kann eine logische
Operation mit sehr hoher Geschwindigkeit durchführen, für eine logische Operation
mit noch höherer Geschwindigkeit jedoch muß die Schaltzeit des Magnetmaterials kürzer
sein. Für diesen Zweck kann dünnes Magnetmaterial in Filmform verwendet werden,
wobei dann als Gatter Dioden mit geringer Dämpfung erforderlich sind, beispielsweise
»Rückwärtsdioden« mit einer Charakteristik gemäß A b b. 22.