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Multistabiler elektronischer Impulszähler Die Erfindung betrifft einen
multistabilen elektronischen Impulszähler, dessen Zählstufen jeweils aus einem Verstärkerelement
bestehen, bei dem sich mindestens zwei Zählstufen in einem ausgezeichneten und mindestens
eine in einem nicht ausgezeichneten Zustand befinden, mit Koppelgliedern, die sich
zwischen dem Ausgang jeder Stufe und dem Eingang jeweils einer vorhergehenden und
einer nachfolgenden Stufe befinden, mit Spannungsteilern zur Stabilisierung der
Stufen sowie gegebenenfalls mit Gleichrichter enthaltenden, von den Ausgängen der
jeweiligen Stufen entsprechend vorbereiteten Eingangstoren, die an einer gemeinsamen
Zählimpulsleitung liegen.
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Ein durch Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 2. Auflage, 1962, bekannter
bistabiler Zähler besteht aus zwei Stufen, deren Ausgangsspannung jeweils auf den
Eingang der anderen Stufe gekoppelt ist, und zwei Koppelgliedern aus einem Widerstand
zur Stabilisierung und einem parallelen Koppelkondensator, die zusammen ein Differenzierglied
bilden. Eine der beiden Stufen befindet sich jeweils in einem ausgezeichneten Zustand,
der durch einen bestimmten Wert der Ausgangsspannung kenntlich ist, die andere ist
nicht gezeichnet. Ein Zählimpuls trifft auf die Eingänge beider Stufen, wodurch
die ausgezeichnete Stufe in den nicht gezeichneten Zustand kippt. Wegen des Koppelgliedes
kippt daraufhin die anfangs nicht gezeichnete Stufe in den ausgezeichneten Zustand.
Dabei wandelt das Differenzierglied in Abhängigkeit vom Vorzeichen eines Spannungssprunges
am Ausgang der anfangs ausgezeichneten Stufe den Spannungssprung in einen Impuls
um. Ein weiterer Zählimpuls bewirkt den umgekehrten Kippvorgang. Zwecks Verbesserung
des Kippvorganges kann die Ausgangsspannung jeder Stufe ein an deren Eingang befindliches
Eingangstor steuern, das nur beim ausgezeichneten Zustand der Stufe offen ist.
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Es.ist durch die deutsche .Auslegeschrift 1153 418 bekannt, zum Zählen
einer großen Impulszahl mehrere Zähler zu Zählschaltungen zusammenzuschalten, wobei
es erstrebenswert ist, mit einer möglichst geringen Zahl von Stufen eine möglichst
große Impulszahl zu zählen. Hierzu ist durch die deutsche Auslegeschrift 1071130
ein Zähler der anfangs genannten Art bekannt. Bei diesem bekannten Zähler besteht
jeweils das eine der vom Ausgang einer Stufe ausgehenden Koppelglieder aus einem
Widerstand und das andere aus einem Gleichrichter. Die Gleichrichter sperren ihre
Koppelglieder in einer Richtung auch gleichstrommäßig und sind derart gepolt, daß
der am Ausgang der im nicht gezeichneten Zustand befindlichen Stufen befindliche
Gleichrichter durchlässig ist und einen der vorhergehenden Stufe zugeführten Zählimpuls
ableitet, wogegen die anderen Gleichrichter gesperrt sind, so daß sich ein Zählimpuls
nur an der der nicht gezeichneten Stufe folgenden Stufe durchsetzen kann. Auch befindet
sich bei dem bekannten Zähler unabhängig von der Zahl der Stufen jeweils nur eine
einzige Stufe im nicht gezeichneten Zustand.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Zähler der anfangs genannten
Art zu schaffen, bei dem sich der Zählimpuls an der nicht gezeichneten Stufe durchsetzen
kann, dessen Stabilität unabhängig von den Gleichrichtern ist und der unter mehr
als drei Stufen auch mehr als eine nicht gezeichnete Stufe aufweisen kann.
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Die Erfindung erreicht dies, durch einen Zähler der anfangs genannten
Art, der dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem an sich bekannten Differenzierglied
in Serie zum Kondensator ein Gleichrichter vorgesehen ist, so daß in Abhängigkeit
vom Vorzeichen eines Spannungssprunges an den jeweiligen Ausgängen der Stufen eine
Differenzierung dieses Spannungssprunges je nach der beabsichtigten Zählweise bewirkt
bzw. verhindert wird.
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Durch ein Koppelglied des erfindungsgemäßen Zählers kann in einer
Richtung jeweils nur ein Impuls eines bestimmten Vorzeichens laufen, je nachdem,
in welcher Richtung der Gleichrichter durchlässig ist. Bezeichnet man den beim Kippen
einer Stufe vom ausgezeichneten in den nicht gezeichneten Zustand auftretenden Impuls
als Kippimpuls und den beim Kippen vom nicht gezeichneten in den ausgezeichneten
Zustand auftretenden als Sperrimpuls, so ist das Koppelglied entweder für einen
Kipp- oder einen Sperrimpuls durchlässig, da sich beide durch ihr Vorzeichen unterscheiden.
Hierbei ist der Kippimpuls funktionswesentlich, weil er den ausgezeichneten Zustand
auf eine andere Stufe überträgt und der Sperrimpuls funktionsfördernd, solange er
nur auf nicht gezeichnete Stufen trifft.
Durch. die Differenzierglieder
in den einen Gleichrichter aufweisenden Koppelgliedern wird nicht nur vorteilhafterweise
eine erhöhte Zählgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Zählers erreicht, weil die
Ansprechzeit einer über ein Differenzierghed von einem Impuls angesteuerten Stufe
gegenüber der Ansprechzeit einer von einem Spannungssprung angesteuerten Stufe verkürzt
ist. Vielmehr sind diese Differenzierglieder für die Funktion des erfindungsgemäßen
Zählers unbedingt nötig, weil ein während eines Kippvorganges des Zählers im Zähler
entstandener Impuls am Eingang einer Stufe rascher und nachdrücklicher wirksam wird
als ein während des Kippvorganges im Zähler entstandener Spannungssprung.
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Neben funktionswesentlichen Kippimpulsen treten in dem erfindungsgemäßen
Zähler auch funktionsfördernde Sperrimpulse auf, wenn er neben Koppelgliedern, die
jeweils von jeder Stufe zu einer vorher= gehenden einen ein Differenzierglied sperrenden
Gleichrichter aufweisen, auch Koppelglieder, die jeweils von jeder Stufe zu einer
nachfolgenden einen ein Differenzierglied in der entgegengesetzten Richtung sperrenden
Gleichrichter aufweisen, besitzt.
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Solange ein erfindungsgemäßer Zähler nur eine nicht gezeichnete Stufe
besitzt, ist die Zahl der zählbaren Zählimpulse gleich der Stufenzahl. Eine Verbesserung
der Ausnutzung der Stufen ist möglich, wenn mehr als ein nicht gezeichneter -Zustand
umläuft. Dabei ist es vorteilhaft, aus der Zahl aller Kombinationen mehrerer zu
einem erfindungsgemäßen Zähler verbundener ausgezeichneter und nicht gezeichneter
Stufen diejenige Folge von Kombinationen auszuwählen, welche bezüglich Ausnutzung
und Dimensionierung günstig ist. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Zählers zeichnet sich somit durch eine Folge von Zustandskombinationen mit mindestens
zwei nicht gezeichnete Zustände aufweisenden Kombinationen aus. Hierbei weist jede
Kombination die gleiche Zahl nicht gezeichneter Zustände auf.
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Um das Eintreffen der Zählimpulse an den Eingängen der Stufen so zu
steuern, daß jeweils nur die gewünschte nächste Kombination entsteht, werden Stufen
mit von anderen Stufen gesteuerten Eingangstoren an den Eingängen vorgesehen. Vorteilhaft
ist es hierbei, wenn die gesteuerten Tore jeder Stufe gleichartig sind. Diese von
einer oder mehreren anderen Stufen gesteuerten Tore lassen einen ankommenden Zählimpuls
nur dann zum Eingang der Stufe durch, wenn die steuernden Stufen sich in einem bestimmten
Zustand befinden. Bezüglich der Auslegung der Tore ist es vorteilhaft, mit einer
Folge von Kombinationen zu zählen, bei der jeweils eine beliebige erste Kombination
durch zumindest eine beliebige erste und eine beliebige zweite ausgezeichnete Stufe
bestimmt ist und eine zweite Kombination durch entweder die erste oder die zweite
und eine beliebige dritte ausgezeichnete Stufe bestimmt ist. Um diese Folge von
Kombinationen, die mit mehreren ausgezeichneten Zuständen arbeitet, zu erreichen,
ist es vorteilhaft, die i gesteuerten Tore nach Art von »Und«- oder »Oder«-Schaltungen
aufzubauen. Weiterhin ist es vorteilhaft, nur mit einer Folge von Kombinationen
zu zählen, bei der die Zahl der ausgezeichneten Zustände und die Zahl der nichtgezeichneten
Zustände mindestens um 1 verschieden voneinander sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen Zähler bewirken die Zählimpulse, daß eine
bestimmte Folge von Kombinätionen durchlaufen wird. Um festzustellen, ob die anfangs
vorhandene Kombination wieder erreicht ist, werden an die Ausgänge entsprechender
Stufen von anderen Stufen gesteuerte Tore geschaltet, durch die dann ein Impuls
austritt, wenn die Folge durchlaufen ist. Der erfindungsgemäße Zähler ist nicht
nur. in Zählschaltungen verwendbar. Vorteilhaft wird er z. B. als Impulsfrequenzuntersetzer
verwendet. Bei einem erfindungsgemäßen Zähler mit einem einzigen umlaufenden, nicht
gezeichneten Zustand wächst nämlich nur die Zahl der nötigen Stufen mit dem Übersetzungsverhältnis.
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An Hand der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Zählers näher erläutert. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 ein Koppelglied mit Differenzierglied
und Gleichrichter, F i g. 2 einen tristabilen Zähler aus drei Stufen mit gesteuerten
Toren, F i g. 3 eine Folge von zehn möglichen Kombinationen für einen Zähler aus
fünf Stufen, F i g. 4 das Schaltschema für die Koppelglieder eines mit der Folge
aus F i g. 3 arbeitenden Zählers, F i g. 5 das Schaltschema für die Steuerung der
Tore eines Zählers nach F i g. 3 und 4, F i g. 6 eine andersartige Folge der zehn
möglichen Kombinationen eines Zählers aus fünf Stufen, F i g. 7 das Schaltschema
für die Koppelglieder bei einer Folge nach F i g. 6, F i g. 8 das Schaltschema für
die Steuerung der Tore eines Zählers nach F i g. 6 und 7, F i g. 9 das Schaltbild
für den Zähler gemäß F i g. 6, 7 und 8, F i g. 10 eine Folge von zwölf möglichen
Kombinationen für einen Zähler aus sechs Stufen und F i g. 11 das Schaltschema für
die Koppelglieder eines mit der Folge aus F i g. 11 arbeitenden Zählers. F i g.
2 zeigt einen Zähler aus drei von Transistoren gebildeten Stufen S 1, S 2
und S 3 mit Lastwiderständen RL am Kollektor K1, K2 und K3 und Basiswiderständen
Rb an den Basen B l, B 2 und B3. Koppelglieder KO 1 werden gebildet durch
Koppelkondensatoren CK mit als Seriendioden ausgebildeten Gleichrichtern DK und
parallelen Koppelwiderständen Rk; Koppelglieder KO 2 bestehen nur aus einem Koppelwiderstand
Rk. Weiterhin besitzt jede Stufe ein gesteuertes Eingangstor TI, T2 bzw. T3, das
jeweils aus einem Steuerwiderstand Rs, einer Steuerdiode DS und einem Steuerkondensator
Cs besteht. Die drei Stufen S1, S2, S 3 sind ringförmig geschaltet, da die PunkteP1,
P1' und P2, P2' und P3, P3' jeweils identisch sind.
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Die Stufen S 1 und S 2 befinden sich in einem ausgezeichneten Zustand,
der dadurch bestimmt ist, daß die zugehörigen Transistoren Strom ziehen, so daß
an den Kollektoren K1 und K2 schwach negatives Potential herrscht. Dies bedeutet,
daß die Steuerdioden Ds der Stufen S1 und S3, welche über die Steuerwiderstände
Rs durch die Spannungen an den Kollektoren K2 und K1 gesteuert werden, für einen
positiven Zählimpuls an der gemeinsamen Zählimpulsleitung Jp durchlässig sind, während
dieSteuerdiode Ds der Stufe S2 durch das stark negative Potential am Kollektor
K3 der Stufe S3 gesperrt ist. Ein positiver Zählimpuls Jp kann also auf den Eingang,
die Basis, der Stufen S1 und S3 gelangen. Da die Stufe S3 sich im nicht gezeichneten
Zustand befindet, bewirkt der Zählimpuls bei ihr nichts. Die StufeSl
dagegen
wird in den nicht gezeichneten Zustand gekippt, d. h., ihr Transistor wird gesperrt.
Der an ihrem Kollektor K1 auftretende Spannungssprung nach stark negativer Spannung
geht als negativer Kippimpuls über das Koppelglied KO 1 der Stufe S 1 an die Basis
B 3 der Stufe S3 und kippt diese in den ausgezeichneten Zustand. Der ausgezeichnete
Zustand läuft also in Richtung des Pfeiles 2 im Zähler um.
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Bei diesem Zähler können nur funktionswesentliche Kippimpulse entstehen
und wirksam werden. Auch erfüllt der Koppelwiderstand Rk der Koppelglieder K01 sowohl
die Funktion eines gleichstrommäßig vorspannenden Widerstandes als auch die eines
Differenzierwiderstandes. F i g. 1 dagegen zeigt ein Koppelglied, das aus einem
Koppelwiderstand Rk und einem differenzierenden Kreis CKJRO besteht. Das Koppelglied
besitzt in Serie zu dem differenzierenden Kreis einen als Diode ausgebildeten Gleichrichten
DK.
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F i g. 3 zeigt eine Folge von Kombinationen für einen Zähler mit fünf
Stufen S1 bis S5, wobei »1« eine ausgezeichnete und »0« eine nicht gezeichnete
Stufe bezeichnet. Die Folge umfaßt die zehn Kombinationen, welche unter allen Kombinationen
durch zwei ausgezeichnete und drei nicht gezeichnete Stufen bestimmt sind. In dieser
Folge sind jeweils in einer ersten Kombination eine erste und eine danebenliegende
zweite Stufe ausgezeichnet, während bei einer nachfolgenden zweiten Kombination
die zweite und als eine dritte die übernächste Stufe ausgezeichnet ist. Zum Beispiel
sind in der ersten Kombination die Stufen S1 und S2 ausgezeichnet. In der zweiten
Kombination ist der ausgezeichnete Zustand der Stufe S1 über zwei Stufen hinweg
auf die Stufe S4 übergegangen. Der ausgezeichnete Zustand läuft also nicht von einer
Stufe auf die benachbarte, sondern überspringt bestimmte Stufen.
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In F i g. 4 ist für die in F i g. 3 gezeigte Zustandsfolge das Schaltschema
für die Koppelglieder, welche die Stufen S1 bis S5 verbinden, gezeigt. Dabei
bedeuten Geraden AE, daß zwischen den beiden Stufen, die sie jeweils verbinden,
ein Koppelwiderstand vorhanden ist. Ein Pfeil PAE weist jeweils vom Ausgang der
einen Stufe zum Eingang der nächsten. Gleichrichter DKK zeigen, daß zwischen
dem Ausgang der einen und dem Eingang der anderen Stufe für Kippimpulse kein Durchgang
möglich ist, während Gleichrichter DKS dasselbe für Sperrimpulse anzeigen. Zum Beispiel
ist das Koppelglied von der Stufe S2 zur Stufe S3 für Kippimpulse undurchlässig
und das Koppelglied von der Stufe S3 zur Stufe S2 sowohl für Kippals auch für Sperrimpulse
undurchlässig.
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Geht man davon aus, daß anfangs die Stufen S1 und S2 ausgezeichnet
sind und ein Zählimpuls die Stufe S 1 in den nicht gezeichneten Zustand bringt,
so kann der dabei entstehende Kippimpuls nur auf die Stufe S4 gelangen. Ein dabei
auftretender Sperrimpuls kann auf die Stufen S5 und S1 gelangen, nicht aber
auf S2 und S3. Kippt beim nächsten Zählimpuls die Stufe S2 in den nicht gezeichneten
Zustand, so i kann der entstehende Kippimpuls nur auf die Stufe S5 gelangen,
da alle anderen Koppelglieder durch Gleichrichter DKK gesperrt sind. Der
von der Stufe S5 daraufhin ausgehende Sperrimpuls wird durch einen Gleichrichter
DKS gehindert, die ausgezeichnete Stufe S4 zu beeinflussen.
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F i g. 5 zeigt das Schaltschema für die Steuerung von Toren vor den
Eingängen von fünf Stufen, die gemäß dem Schema in F i g. 4 verkoppelt sind und
mit denen gemäß der in F i g. 3 gezeigten Folge gezählt wird.. Die Tore U1 bis
U5 sind alle gleichartig, werden jeweils von den Ausgangsspannungen zweier
Stufen gesteuert und arbeiten wie eine »Und«-Schaltung. Dabei wird ein zu einer
Stufe gehörendes Tor jeweils von der vorhergehenden und der drittfolgenden Stufe
gesteuert, z. B. das zur Stufe S2 gehörende Tor U 2 von den Stufen S 1 und
S5.
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Ein Tor ist dann für einen auf der Zählirnpulsleitung J ankommenden
Zählimpuls offen, wenn die es steuernden Stufen beide z. B. nicht gezeichnet sind.
Sind z. B. die Stufen S1 und S2 ausgezeichnet, so sperrt S1 die Tore U2 und
U3 und S2 die Tore U3 und U4. Der Zählimpuls kann also an den Eingang der
Stufen S1 und S5 gelangen und die Stufe S1 in den nicht gezeichneten Zustand
kippen, während die Stufe S5 in ihrem vorherigen nicht gezeichneten Zustand
verbleibt.
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F i g. 6 zeigt eine andersartige Folge der bei fünf Stufen. mit zwei
ausgezeichneten Zuständen möglichen zehn Kombinationen. Hier gehen die beiden ausgezeichneten
Zustände abwechselnd von einer Stufe auf die nächste über, z. B. geht bei den Kombinationen
4 und 5 der ausgezeichnete Zustand von der Stufe S2 auf die Stufe S3 über und bei
den Kombinationen 5 und 6 der ausgezeichnete Zustand der Stufe S 4 auf die
Stufe S 5. In F i g. 7 ist das zu F i g. 6 gehörige Schaltschema für die
Koppelglieder dargestellt, das zeigt, daß ein Kippimpuls von einer Stufe immer nur
auf die benachbarte nachfolgende gelangen kann.
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F i g. 8 gibt das zu F i g. 6 und 7 gehörende Schaltschema für die
Steuerung der Tore O 1 bis O 5 vor den Eingängen der Stufen S1 bis S5 an. Jedes
Tor ist von der vorhergehenden und der zweitfolgenden Stufe abhängig und arbeitet
wie eine »Oder«-Schaltung. Ein Tor läßt dabei immer dann einen ankommenden Zählimpuls
durch, wenn mindestens eine der beiden Stufen nicht gezeichnet bzw. ausgezeichnet
ist. Sind z. B. die Stufen S1 und S3 ausgezeichnet, so ist das Tor O 1 geöffnet,
da zwar S5 nicht gezeichnet, aber S3 ausgezeichnet ist, und das Tor 03 gesperrt,
da sowohl S2 als auch S5 nicht gezeichnet sind.
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Der in F i g. 9 gezeigte dezistabile Zähler besteht aus fünf mit Transistoren
gebildeten Stufen S1 bis S5 mit Lastwiderständen RL an den Kollektoren und
Basiswiderständen Rb an den Basen. Die Emitter sind gemeinsam an einen Widerstand
RE und einen Kondensator CE geschaltet. Die Ausgänge und Eingänge der Stufen sind
durch Verbindungen AEmn gekoppelt, wobei m die Nummer der Eingangsstufe ist. Jede
Verbindung enthält einen Koppelwiderstand Rk. Jede Verbindung zur nächstfolgenden
Stufe enthält parallel zum Koppelwiderstand Rk einen Koppelkondensator Ck
und einen für Kippimpulse durchlässigen Gleichrichter DKK und jede Verbindung zur
zweitvorhergehenden parallel zum Koppelwiderstand Rk einen Koppelkondensator Ck
und einen für Sperrimpulse durchlässigen Gleichrichter DKS. Dabei stellt jede der
Parallelschaltungen eines Koppelwiderstandes Rk und eines Koppelkondensators Ck
ein Differenzierglied dar. Weiterhin befindet sich an jedem Kollektor ein Steuerwiderstand
Rs, von dem jeweils zwei Steuerverbindungen STmit ausgehen, wobei m die Nummer der
steuernden und h die der gesteuerten Stufe ist. Die Steuerverbindungen STmn enden
jeweils
am gemeinsamen Punkt von Steuerkondensatoren CS und Steuerdioden
DS.
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Befinden sich nun die Stufen S 1"-und S 2 in einem ausgezeichneten
Zustand, der dadurch bestimmt ist, daß die Transistoren Strom ziehen, so ist die
Ausgangsspannung der Transistoren schwach negativ. Die Ausgangsspannung der übrigen
Stufen ist stark negativ. Dies bedeutet, daß beide SteuerdiodenDS der Stufe S1 gesperrt
sind, während die über die Verbindung ST 42 gesteuerte Diode DS der Stufe
S 2 gesperrt und die über ST 12 gesteuerte Diode DS nicht gesperrt
ist. Ein über die Zählimpulsleitung ZJ ankommender positiver Zählimpuls Ip kann
nur über die ungesperrte Diode DS der Stufe S2 an diese gelangen und sie
in den nicht gezeichneten Zustand kippen. Bei den nachfolgenden Kombinationen, bei
denen die Stufen S 1 und S 3 ausgezeichnet sind, liegen die Verhältnisse entsprechend.
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Die Folge in F i g. 10 für sechs Stufen S 1 bis S 6 mit zwei ausgezeichneten
Zuständen »1« wird auf die gleiche Weise durchlaufen wie die in F i g. 6 gezeigte.
Durch Hinzufügen einer Stufe ist die Zahl der zählbaren Zählimpulse gegenüber dem
Beispiel in F i g. 6 um zwei gestiegen. Bei dem in F i g. 11 dargestellten zugehörigen
Schaltschema, in dem AE gleichstrommäßige Verkopplung von Ausgang und Eingang zweier
Stufen bedeutet und Pfeile PAE vom Ausgang der einen zum Eingang der nächsten Stufe
weisen, zeigen Gleichrichter DKD abweichend von vorherigen Beispielen, welche Koppelglieder
für Kippimpulse durchlässig sind.