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Flip-Flop-Untersetzerschaltung Die Erfindung bezieht sich auf eine
Flip-Flop-Untersetzerschaltung. Hierunter versteht man Schaltungen, die von einer
Rechteckspannung oder einer Impulsfolge bestimmter Folgefrequenz beaufschlagt werden
und an deren Ausgang eine Rechteckspannung der halben Folgefrequenz und mit konstanter
Amplitude abgegriffen wird. Die Bezeichnung »Folgefrequenz« soll hier zum Ausdruck
bringen, daß die steuernden Impulse oder Blöcke der Rechteckspannung nicht mit konstanter
Frequenz einzutreffen brauchen, sondern in beliebiger Folge vorliegen können. In
Fig. 1 ist eine Impulsfolge nichtkonstanter Frequenz dargestellt. Sie ist mit E
bezeichnet. Am Ausgang der Flip-Flop-Untersetzerschaltung wird die mit A bezeichnete
Rechteckspannung abgegriffen. Die Zahl der Rechteckblöcke am Ausgang ist halb so
groß wie die Zahl der Impulse am Eingang.
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Die bekannten Flip-Flop-Untersetzerschaltungen sind durch eine dynamische
Arbeitsweise gekennzeichnet. Sie sind als bistabile Multivibratoren aufgebaut. Durch
einen eintreffenden Impuls wird der bistabile Multivibrator aus seiner einen stabilen
Lage in die andere gekippt. Wird die dynamische Flip-Flop-Untersetzerschaltung statt
durch eine Impulsfolge, wie sie in Fig. 1 abgebildet ist, durch eine Rechteckspannung
beaufschlagt, so wird diese durch entsprechende Mittel differenziert. Von den bei
der Differentiation auftretenden positiven und negativen Spannungsstößen werden
die einen oder die anderen durch Gleichrichter weggeschnitten, während die verbleibenden
die Flip-Flop-Untersetzerschaltung zum Kippen bringen. Der Nachteil solcher dynamischen
Untersetzerschaltungen besteht darin; daß der Kippvorgang durch einen äußeren Impuls
nur angestoßen wird, jedoch keine äußere Kraft (Spannung) den Untersetzer in einer
seiner beiden Gleichgewichtsanlagen festhält. Es kann daher passieren, daß durch
einen unerwünschten Störimpuls der Untersetzer in seine andere Gleichgewichtslage
übergleitet. Außerdem werden an die Flankensteilheit der steuernden Impulse bzw.
der Rechteckspannung gewisse Anforderungen gestellt.
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Als statische Flip-Flop-Untersetzerschaltungen werden im folgenden
solche Schaltungen verstanden, die nicht durch Impulse, sondern durch Gleichspannungen
gesteuert werden. Bei ihnen sind die Signalleitungen an allen Stellen galvanisch
miteinander gekoppelt. Während bei den dynamischen Schaltungen ein kurzfristiger
Impuls das Kippen in die eine oder andere Gleichgewichtslage verursacht, wird bei
diesen Schaltungen die eine Gleichgewichtslage nur eingenommen, solange eine Gleichspannung
wirkt, die oberhalb eines bestimmten Wertes liegt. Verschwindet diese Gleichspannung
oder sinkt sie unterhalb eines bestimmten Wertes, dann kippt die Schaltung in ihre
andere Gleichgewichtslage zurück. Es ist hier also ständig eine äußere Kraft (Spannung)
erforderlich, um die Flip-Flop-Untersetzerschaltung in der einen ihrer Gleichgewichtslagen
festzuhalten. Störimpulse können solche statischen Flip-Flop-Untersetzerschaltungen
nicht mehr beeinflussen. Auch wird an die steuernde Gleichspannung keine Anforderung
bezüglich ihrer Flankensteilheit gestellt. Es ist lediglich nötig, daß diese Gleichspannung
oberhalb eines bestimmten Wertes liegt. Eine statische Flip-Flop-Untersetzerschaltung
ist also durch eine sichere, robuste und gegenüber Störeinflüssen unempfindliche
Arbeitsweise gekennzeichnet.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine
Flip-Flop-Untersetzerschaltung zu schaffen, die durch eine statische Arbeitsweise
gekennzeichnet ist und die außerdem zwei Ausgänge besitzt, an denen zwei um eine
Viertelperiode gegeneinander versetzte Rechteckspannungen abgegriffen werden können.
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Zum Verständnis des durch die Erfindung vorgeschlagenen Lösungsweges
seien folgende Erläuterungen vorausgeschickt: Die steuernde Eingangsgröße (z. B.
eine Spannung) der Flip-Flop-Untersetzerschaltung wird mit e bezeichnet. Wie bereits
ausgeführt wurde, ist die Flankensteilheit und die genaue Größe dieser Eingangsgröße
bedeutungslos. Sie wird daher im folgenden, unabhängig von der Form, die sie im
einzelnen haben mag, quantisiert dargestellt. Das bedeutet, daß sie, wenn sie einen
bestimmten der Ansprechempfindlichkeit der Schaltung entsprechenden Wert überschreitet
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mit «L>>, d. h. als vorhanden bezeichnet wird; bleibt sie unterhalb dieses Wertes,
dann wird sie mit »0«, d. h. als nicht vorhanden bezeichnet.
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Im übrigen gelten folgende Bezeichnungen und der Schaltungsalgebra
entnommene Begriffe:
| e = Bejahte Eingangsgröße. |
| A = Bejahte Ausgangsgröße. |
| e, ä = Verneinte Eingangs- bzw. Aus- |
| gangsgröße. |
| & = ILonjunktives Verknüpfungszeichen |
| (Und-Element). |
| v = Disjunktives Verknüpfungszeichen |
| (Oder-Element). |
| Und-Element = Ausgangsgröße vorhanden, wenn |
| alle Eingangsgrößen vorhanden. |
| Oder-Element = Ausgangsgrößen vorhanden, wenn |
| mindestens eine Eingangsgröße vor- |
| handen. |
| Oderi-Oder- |
| Nicht-Element = Oder-Element mit zusätzlichem |
| antivalentem, d. h. vereintem Aus- |
| gang. |
Zur Lösung der oben angegebenen, der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird eine
Flip-Flop-Untersetzerschaltung vorgeschlagen, die nach den folgenden beiden miteinander
verknüpften logischen Schaltfunktionen aufgebaut ist, wobei die beiden Ausgangsgrößen
AI und A., einander gleichwertig, aber in ihren Zeitphasen um eine Viertelperiode
gegeneinander versetzt sind.
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(Ä@,&e)v(A1&el =A1. (A,, & e) v (A1 &
e) = Az.
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Es versteht sich, daß die angegebene Lösung den Fall, in dem nur eine
Ausgangsgröße erforderlich ist, miteinschließt.
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In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es
enthält zwei Oder/-Oder-Nicht-Elemente 3 und 6. Das Oder/-Oder-Nicht-Element 3,
an dem die Ausgangsgröße A 1 abgegriffen wird, wird von den beiden Und-Elementen
1 und 2 beaufschlagt. Das Oder/-Oder-Nicht-Element 6, an dem die Ausgangsgröße Az
abgegriffen wird, wird von den Und-Elementen 4 und 5 beaufschlagt. Die Und-Elemente
1, 2, 4 und 5 werden von den sich aus den logischen Schaltfunktionen
ergebenden Größen beaufschlagt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach der Erfindung soll an Hand eines
Schaltvorganges erläutert werden. Vorauszuschicken ist noch, daß in einer nicht
zur Erfindung gehörenden und in Fig. 2 nicht eingetragenen Vorstufe die Eingangsgröße
e, falls erforderlich, im oben angegebenen Sinne _quantisiert und das verneinte
Eingangssignal e gewonnen wird. In den Fig. 4 a und 4 b ist- die quantisierte Eingangsgröße
e mit ihrem verneinten Wert e für den Fall konstanter Frequenz aufgetragen. In den
Fig. 4 c bis 4f sind die Ausgangsgrößen A1 und AZ sowie ihre verneinten Werte Ä1
und AZ abgebildet. Geht man von dem Zeitpunkt to aus, dann haben, wie Fig. 4 zeigt,
A1 und A.= den Wert »0«. Zur Zeit t1 ändert sich die Eingangsgröße, und es wirkt
auf das Und-Element 1 »0- =ind »0«; an seinem Ausgang erscheint also »0«. Auf das
Und-Element 2 wirkt »L« und »L,(; an seinem Ausgang erscheint also >>L«. Damit wirken
auf das Oder/-Oder-Nicht-Element 3 »0« und »L«; an seinem bejahten Ausgang erscheint
also »L«. Auf das Und-Element 4 wirken »L« und »0«; an seinem
Ausgang erscheint »0«. Auf das Und-Element 5 wirkt im ersten Augenblick »0« und
»0«, etwas später, wenn nämlich A 1 seinen neuen Wert angenommen hat, »0« und »L«.
Ähnliche Überlegungen gelten nun für alle vier Und-Elemente, da auf jedes dieser
Und-Elemente eine Ausgangsgröße oder eine verneinte Ausgangsgröße zurückgeführt
wird. Die nähere Untersuchung zeigt aber, daß es für den Ausgangswert der Und-Elemente
gleichgültig ist, ob auf seinen Eingang die noch bestehende oder die bereits neue
rückgeführte Ausgangsgröße wirkt. Man erhält also an den Ausgängen der Und-Elemente
4 und 5 die Signale »0« und »0«, d. h. am Ausgang des Oder/-Oder-Nicht-Elements
6 erscheint ebenfalls »0«. Vom Zeitpunkt t1 an erscheint also am Ausgang A 1 der
Wert L und am Ausgang A, der Wert 0. Dies stimmt überein mit den in
Fig. 4 c und 4 d abgebildeten Rechteckkurven. Eine Fortsetzung der eben angestellten
Betrachtung liefert für die Ausgangsgröße AI und A." und damit auch für ihre verneinten
Ausgänge die an den Fig. 4 c bis 4 f dargestellten Werte.
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Wie man aus Fig. 2 ersieht, werden die Urid-Elemente 1 und 5 von den
gleichen Größen beaufschlagt; es kann also auf eines dieser Und-Elemente verzichtet
werden. Verzichtet man auf das Und-Element 1, dann ergibt sich die in Fig. 3 dargestellte
Schaltung nach der Erfindung. Es ist darin der Ausgangswert des Und-Elements 5,
der mit dem Ausgangswert des Und-Eletnents 1 übereinstimmt, auch an den einen
Eingang des Oder/-Oder-Nicht-Elements 3 angeschlossen.
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Da, wie die Fig. 2 und 3 sowie die angegebenen Schaltfunktionen zeigen,
die verneinte Ausgangsgröße Ä 1 zur Frequenzuntersetzung nicht benötigt wird, kann
das Oder/-Oder-Nicht-Element 3 auch durch ein Oder-Element ersetzt werden.
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Werden in den Schaltungen nach Fig. 2 und 3 die bejahten Ausgangsgrößen
A1 und A, sowie die verneinten Ausgangsgrößen A1 und Ä, herausgeführt, so erhält
man bei periodischer Steuerung der Schaltung vier rechteckförmig verlaufende Ausgangsgrößen,
die gegeneinander um eine Viertelperiode versetzt sind (Fig. 4c bis 4f). Ein solches
Vierphasensystem kann z. B. für die Steuerung von Schrittmotoren verwendet werden.
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Bildet man durch zusätzliche Und-Elemente die folgenden vier konjunkti_ven
Verknüpfungen Al&Ä" A1&A" Ä1&A" und A1&A.; so erhält man vier Rechteckimpulsfolgen,
deren Impulsbreiten sich über ein Viertel der Periode erstrecken und die gegeneinander
um eine Viertelperiode versetzt sind. Diese Impulsfolgen sind in den Fig.4g bis
4k abgebildet. Eine Untersetzerschaltung nach den Fig.2 oder 3 vereint mit den Und-Elementen
für die ebengenannten vier konjunktiven Verknüpfungen liefert eine Anordnung mit
vier Ausgängen, von denen jeweils einer spannungsführend ist. Mit jedem eintreffenden
Eingangssignal, d. h. mit jedem Wechsel der Eingangsgröße e von »0« und »L«
oder von »L« und »0«. geht die Spannung von einem Ausgang aus auf einer anderen
über. Man erhält also ein vierstufiges Schrittschaltwerk. Man verwendet solche Schrittschaltwerke
zur aufeinanderfolgenden Abfragung mehrerer Leitungen. Außerdem kann eine solche
Anordnung als ein Zähler verwendet werden, der bis vier zu zählen vermag. Schaltet
man zwei der eben beschriebenen
Anordnungen in Reihe, wobei, wie
Fig. 5 zeigt, ein Ausgang der ersten Anordnung 7 die Eingangssignale für die zweite
Anordnung 8 liefert, so erhält man ein Zählwerk, das bis sechzehn zu zählen vermag.
Jedes vierte Eingangssignal, das auf die erste Anordnung 7 wirkt, wird auf die zweite
Anordnung 8 übertragen. Mit den spannungsführenden Ausgängen der beiden Anordnungen
7 und 8 lassen sich sechzehn verschiedene Möglichkeiten kennzeichnen.
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Aus den vier durch die Fig. 4 g bis 4 k dargestellten Impulsfolgen
können zwei ausgewählt -werden (z. B. die schraffiert dargestellten), deren Impulse
nicht unmittelbar aneinanderstoßen. In diesem Falle liegen zwischen den beiden Impulsen
Lücken von jeweils einer Viertelperiode. Derartige Lücken enthaltende Impulsfolgen
werden gebraucht, wenn bei der Steuerung mehrerer Vorgänge der eine erst dann einsetzen
soll, wenn der andere sicher beendet ist. Dies ist z. B. bei der Weiterschaltung
eines Schieberegisters der Fall.
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Ein vollständiges Ausführungsbeispiel der grundsätzlichen Schaltung
nach Fig. 3 ist in Fig. 6 abgebildet. Die an sich bekannten logischen Schaltelemente
2 bis 6 sind in Fig. 6 durch gestrichelte und entsprechend bezeichnete Umrandungen
kenntlich gemacht. In Fig. 6 sind Oder/-Oder-Nicht-Elemente 3 und 6 verwendet worden,
die mit Transistoren aufgebaut sind.