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Binärstufe mit einer galvanisch gekoppelten Kippschaltung Die Erfindung
betrifft eine Binärstufe, bestehend aus einer galvanisch gekoppelten bistabilen
Kippschaltung, die einen Speicherausgang A und einen dazu antivalenten Ausgang
Ä aufweist und durch Taktsignale T sowie deren intivalente Signale T angesteuert
wird. Eine derartige Binärstufe, die eine Frequenzuntersetzung im Verhältnis 2:
1 bewirkt, wird mit besonderem Vorteil zum Aufbau von sogenannten statischen
Binärzählern verwendet, die gegenüber den Zählern, deren Binärstufen aus dynamisch
gekoppelten Kippschaltungen aufgebaut sind, einmal eine erheblich höhere Zählsicherheit
aufweisen und zum anderen im wesentlichen nicht von der Form der Zählimpulse abhängen.
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Bekannte statische Zähler benötigen pro Binärstufe zwei statische
Speicher, d. h. erhöhten Aufwand gegenüber den dynamischen Zählern. Außerdem
treten Probleme auf, wenn Zählimpulse in unregelmäßiger Folge anfallen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden
und dennoch die bekannten Vorteile der statischen Technik auf Zählschaltungen anzuwenden.
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Ausgehend von einer Binärstufe, bestehend aus einer galvanisch gekoppelten
bistabilen Kippschaltung, die einen Speicherausgang A und einen dazu antivalenten
Ausgang 7f aufweist und durch Taktsignale T sowie deren antivalente Signale
7' angesteuert wird, gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß ein Verzögerungsglied
(6) mit einem vorgeschalteten UND-Glied (11, 12, 13), dessen
Eingangssignale 7 und Ä sind, vorgesehen ist, dessen den ursprünglichen
Schaltzustand wiedergebende Ausgangsgröße (C) mittels einer weiteren UND-Verknüpfung
(Steuer-UND-Glied 8, 9, 1-0) konjunktiv mit den Signalen verknüpft ist, wobei
das Ausgangssignal dieser UND-Verknüpfung die Stufe umschaltet.
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Die erfindungsgemäße Binärstufe hat den Vorteil, daß eine beliebige
Impulsfolge ohne lückenden Hilfstakt mit nur einer statischen Kippschaltung 2:
1 untersetzt werden kann.
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An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird
die Erfindung näher beschrieben. Um das Verständnis der erfindungsgemäßen Binärstufe
zu erleichtern, sei zunächst auf das Prinzip der 2: 1-Untersetzung mit bistabilen
Kippschaltungen, im folgenden als Speicherelemente bezeichnet, eingegangen.
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Während bei dynamischen Binärstufen mit einem Speicherelement eine
2: 1-Untersetzung gemäß F i 2. 1 a bewirkt werden kann, ist dies bei einem
statischen Speicherelement gemäß F i g. 1 nicht ohne weiteres möglich. Wie
sich aus F i g. la ergibt, soll der Speicher durch den Takt T gesetzt werden,
wenn er vorher gelöscht war, d. h. 7f = L ist. Er darf dagegen durch
den Takt T nicht gesetzt, sondern muß gelöscht werden, wenn er gesetzt ist.
d. h. A = L ist. Es gilt also: 1. Setzen, wenn
51 = L UND T = L.
2. Löschen, wenn A
= L UND T = L.
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Der eigene Speicherzustand ist also maßgebend für die Umschaltung
des Speichers. Wie man ohne weiteres erkennt, können diese Bedingungen nicht erfüllt
werden.
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Wenn T # L wird, dann wird auch A # L und damit 7f
= 0, so daß mit dem Auftreten von T auch die Setzbedingung nicht mehr erfüllt
ist; entsprechendes gilt für die Löschung, weil mit T = L sofort
A = 0
wird und damit die Löschbedingung nicht mehr vorhanden ist.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, wird bei den bekannten statischen
Binärstufen mit Hilfe eines zusätzlichen Speicherelementes während des Zustandes
T=O und A=O, d.h. wennTUND 7f=L sind, ein Hilfssignal erzeugt. Dies kann z. B. gemäß
F i g. 1 b dadurch geschehen, daß man, während 51 = L, d. h.
A = 0 ist, den zweiten Speicher mittels eines lückenden Hilfstaktes
TH setzt und dieses Hilfssignal
noch für einige zeit über T hinaus
hält. Das Setzen des eigentlichen Zählspeichers wird dann von T UND
H abhängig gemacht, wobei H den Zustand #I = L repräsentiert, da der Zustand #I
quasi um die Zeit T verzögert gehalten wird.
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Analog ist es beim Löschen des Speichers. Hier wird der Zustand
A = L durch den Zustand H = 0
repräsentiert, der länger als
A = L dauert und damit eine sichere Löschung gestaltet.
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Die bekannten Methoden laufen daher zusammengefaßt darauf hinaus,
durch eine zweite Kippschaltung den ursprünglichen Speicherzustand so lange
zu
halten, bis der eigentliche Zählspeicher umgeschaltet hat.
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Die erfindungsgemäße Binärstufe kommt ohne diese zweite Kippschaltung
aus. Bei ihr erfolgt die notwendige kurzzeitige Aufrechterhaltung des Zustandes
;T = L und A = L für die Zeit T (F i g. 1 a) mit sehr
einfachen Mitteln, insbesondere können passive Glieder eingesetzt werden.
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Die F i g. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Binärstufe. Sie enthält nur einen statischen Speicher, der in diesem Beispiel logisch
verknüpfte Haltebedingungen aufweist. Der Speicher ist in bekannter Weise aus den
UND-Gliedern 1 bis 3,
dem ODER-NICHT-Glied 4 und der Umkehrstufe
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aufgebaut. Weiterhin ist das Verzögerungsglied 6 mit einer vorgeschalteten
Logik vorgesehen. Dieses Verzögerungsglied dient zur verzögerten Rückführung des
Speicherausganges auf den Eingang, damit eindeutige Bedingungen zum Umschalten des
Speichers gegeben sind. Für die folgenden Betrachtungen sei das Verzögerungsglied
6 nach einem wesentlichen ausgestaltenden Merkmal der Erfindung durch einen
Kondensator realisiert zu denken. Dieser Kondensator ist nicht mit dem Kondensator
bei dynamischen Kippschaltungen gleichzusetzen. Im Fall der Erfindung ist er auf
der einen Seite starr an einen Pol der Versorgungsspannung angeschaltet, während
die andere Seite galvanisch mit logischen Gattern verbunden ist. Dadurch ergibt
sich folgende Wirkungsweise: Im Ausgangszustand der Binärstufe CÄ = L und
A = 0) wird der Kondensator mit der Bedingung T UND
#f = L aufgeladen, also zunächst immer dann, wenn, wie in F i
g. 2 a dargestellt, kein Zähltakt T da ist und der Speicher gelöscht ist
(A = 0). Der Kondensator wird jedoch zusätzlich- auch dann aufgeladen,
wenn T = L UND A = L ist, d. h. während der Zählimpulsdauer
für das Setzen. Die Gründe dafür werden später noch erläutert.
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Das verzögerte Ausgangssignal C gelangt zunächst auf das UND-Glied
1, das dieses verzögerte, den Zustand 51 repräsentierende Signal mit dem
Taktsignal T konjunktiv verknüpft. Die UND-Bedingung &1 ist erfüllt,
d. h., der Speicher wird gesetzt (A =L),
wenn T
= L UND C = L ist. Wesentlich ist also, daß der Zustand
51 = L über den Kondensator mit C = L so lange aufrechterhalten
wird, daß ein eindeutiges Setzen des Speichers gegeben ist. Für die Dauer von T
wird der Speicher über &1 gehalten. Er muß nun, wie aus F i
g. 2 a zu ersehen, weiterhin bis zum Eintreffen des zweiten Taktes T gehalten
werden. Bei idealem Flankenwechsel von T undT würde dazu das UND-Glied
3 ausreichen, da die UND-Bedingung &l, erfüllt ist, wenn A = L
und T # L ist.
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Um die Speicherfähigkeit über eine mögliche Lücke der Signale T=L
und TN=L sicherzustellen, wird die Konjunktion &, mit
C = L UND A = L
als sogenannte Redendanzbedingung
des Speichers zu Hilfe genommen.
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Für die Dauer des Zähltaktes T läuft sie also neben der Einspeicherbedingung.
Da jedoch, wie bereits erläutert, der Kondensator auch durch die Bedingung
T = L und A = L, also während der Taktünpulsdauer aufgeladen
wird, bleibt der Zustand C = L für eine gewisse Zeit noch erhalten,
nachdem bereits T = 0 geworden ist. Während dieser Zeit ist
jedoch T mit Sicherheit L geworden, so daß der Speicher anschließend über &,
gehalten wird. Zu erwähnen ist noch, daß während der Schaltzeit des Speichers noch
eine kurzzeitige Entladung des Kondensators auftritt.
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Nachdem der Zähltakt abgeklungen ist, beginnt die Umladung des Kondensators,
die notwendig ist, um zu vermeiden, daß der Speicher durch den zweiten Zählimpulstakt
anstatt gelöscht nochmals gesetzt wird.
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Diese Entladung kann einmal über eine logische Schaltung erfolgen,
die dann anspricht, wenn *T = L
und A # L (Intervall zwischen Speicher-
und Löschtakten) bzw. T = L und A = 0 ist (Impulsdauer
des zweiten Taktes).
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Zum anderen wird in vorteilhafter Weise unter Einsparung der Entladelogik
die Aufladelogik bzw. Konjunktion für die Speicherbedingung so dimensioniert, daß
der Kondensator selbsttätig gehalten wird, wenn er nicht aufgeladen werden soll.
Diese Art der Entladung liegt den noch im einzelnen zu erläuternden Ausführungsbeispielen
zugrunde. Erwähnt sei noch, daß während der Umladung bei dem Umschalten des Speichers
durch den zweiten Takt eine kurzfristige Aufladung stattfindet.
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Gelöscht wird der Speicher und damit die Binärstufe durch den zweiten
Zähltakt.
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Wenn T = 0 ist &, nicht mehr erfüllt, ebenso
&1
und &, nicht, weil C = L ist. Dadurch wird
die Selbsth#Itung unterbrochen, und A wird gleich 0
bzw.
51 = L. Der erste Zyklus ist beendet, und es beginnt wegen #T = L
und T = L nach dem zweiten Zähltakt die erneute Aufladung des Kondensators, die
beim dritten Zähltakt zum Setzen der Binärstufe führt. Zusammenfassend gelten als
für die erfindungsgemäße Schaltung nach F i g. 2 folgende Beziehungen: Aufladen
mit T = L UND 7f = L ODER T # L UND A =
L. Entladen mit T # L UND A = L
ODER T = L UND;1
= L. Setzen: C = L UND T = L.
Halten:
C = L UND A = L ODER A L UND T =
L,
A # (T&C)\1(A &C)V(A &-T),
C
= (T &21) V (A & T).
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Da der Kondensator zu einer Zeit aufgeladen wird, in der statische
Verhältnisse herrschen, beeinflußt er nicht die Geschwindigkeit der Umschaltvorgänge.
Diese
ist von der Schaltgeschwindigkeit der Transistoren abhängig. Eine maximale Impulsfrequenz
ist jedoch dadurch gegeben, daß der Kondensator zwisehen zwei Takten umgeladen werden
muß. Andererseits muß die Kapazität so groß sein, daß über die Umschaltzeit des
statischen Speichers die dafür erforderliche Konjunktion &1 =
T &C genügend lange aufrechterhalten wird.
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Im folgenden soll zunächst erläutert werden, wie nach ausgestaltenden
Merkmalen der Erfindung die Schaltung nach F i g. 2 im einzelnen realisiert
wird. Dabei wird zunächst die F i g. 3 erläutert, die im Detail unabhängig
vom Speichertyp das Wesen der Erfindung erkennen läßt. Bezogen auf den Speichertyp
nach F i g. 2 zeigt die F i g. 3 den Aufbau bezüglich des ODER-NICHT-Gliedes
4, des Kondensators 6
mit der Aufladelogik und des UND-Gliedes 1.
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Der Transistor 7 ist der aktive Teil des ODER-Gliedes 4. Der
passive Eingangsteil (Diodengatter) ist nicht dargestellt, da die F i
g. 3 nur ein ansteuerndes UND-Glied, nämlich das Glied 1 zeigt. Dieses
UND-Glied wird durch die Dioden 9, 10 und den Widerstand 8 realisiert.
Ein Eingangssignal ist der Takt T, das andere die Spannung des Kondensators
6.
Dieser Kondensator wird über ein UND-Glied, das durch die Dioden
11, 12 und den Widerstand 13 gebildet wird, aufgeladen, und zwar unabhängig
von T UND Ä. Die zweite Aufladebedingung, nämlich T = L
UND A = L, ist in F i g. 3 nicht dargestellt. Ein wesentliches
Merkmal der Schaltung nach F i g. 3
ist darin zu sehen, daß die UND-Verknüpfung
&, unmittelbar an der Basis des Transistors vorgenommen wird, was für
eine günstige Dimensionierung wichtig ist.
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Die F i g. 4 zeigt die Schaltung nach F i g. 2 in allen
Einzelheiten. Neben dem Transistor 7 ist der Transistor 5 dargestellt,
der die Umkehrstufe nach F 1 g. 2 bildet und den valenten Ausgang
A liefert.
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Die UND-Verknüpfung &1 wird, wie bereits im Zusammenhang mit F
i g. 3 erläutert, durch die Dioden 9, 10 und den Widerstand
8 gebildet. Das UND-Glied 2, das die Redundanz-Haltebedingung &2 nachbildet,
wird durch die Dioden 9, 14 und den Widerstand 15 gebildet. Das UND-Glied
3 schließlich wird durch die Dioden 16, 17 und den Widerstand
18 realisiert.
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Das passive Eingangsnetzwerk des ODER-Gliedes 4 besteht aus den Dioden
19 bis 21, 30. Bemerkenswert ist dabei, daß die Dioden 20 und 21 vorverlegt
sind, da in beiden zugeordneten UND-Verknüpfungen (&" &,) die Größe
C vorkommt.
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Zu der Aufladeiogik gehört einmal das aus den Dioden 11, 12
und dem Widerstand 13, zum anderen das aus den Dioden 22, 23 und dem
Widerstand 24 gebildete UND-Glied. Beide UND-Verknüpfungen wirken über ODER-Dioden
25, 26 auf den Kondensator 6 ein.
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Während die F i g. 4 einen Speicher mit logisch verknüpften
Haltebedingungen zeigt, bei dem durch die logischen Verknüpfungen genau anzugeben
ist, wie lange der Speicher gelöscht bzw. gesetzt sein soll, stellt die F i
g. 5 einen Speicher mit Selbsthaltung (RS--Speieliei-) dar, also ein sogenanntes
Flip-Flop (Kippscbaltung), bei dem lediglich anzugeben ist, zu weichem Zeitpunkt
gesetzt bzw. gelöscht werden soll. Diese Kippschaltung enthält als Schaltelement
die Transistoren 5 und 7. Die Ansteuerung des Transistors
7, das Setzen. ist analog zu der Schaltung nach F i g. 3. Ganz entsprechend
erfolgt die Steuerung des Transistors 5 (Löschung); die entsprechenden Schaltelemente
sind dabei jeweils mit einem »'« versehen. Für jede der beiden Ansteuerungen ist
also ein Kondensator vorgesehen. Allerdings wird der Kondensator 6' nicht
durch Ä, sondern durch das Signal A= L aufgeladen, damit der
zweite Impuls T zusammen mit der durch A = L vorbereitenden Kondensatorladung
CL den Speicher löscht.
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Es gelten also die Beziehungen: Kondensator laden mit T
= L UND Ä L,
Speicher setzen mit A = Cs
UND T, Speicher löschen mit Ä = CL UND T, wobei Kondensator
6 mit A = L UND T L geladen wird.
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Die Wirkungsweise ergibt sich ohne weiteres aus dem bisher Gesagten
bzw. aus dem Impulsbild nach Fig. 5a.
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Die F i g. 6 zeigt eine Schaltung mit einem RS-Flip-Flop nach
F i g. 5 (entsprechende Bauelemente sind in gleicher Weise bezeichnet) mit
dem Unterschied, daß nur ein Kondensator 6 benötigt wird. Dieser Kondensator
wird einmal, wie in F i g. 5 im linken Teil dargestellt, durch T
UND Ä aufgeladen. Zusätzlich wird er jedoch noch durch die Bedingung T
UND A geladen, d. h., die Aufladung entspricht derjenigen nach
F i g. 4, wobei ebenfalls die ODER-Dioden 25, 26 vorgesehen sind.
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Beim Setzen und Löschen wird der Takt T nicht unmittelbar mit der
Spannung C verknüpft, sondern erst nach Zwischenschalten eines Transistors
27. Der Setzeingang (Transistor 7) ist dabei an den Emitter und der
Löscheingang (Transistor 5) an den Kollektor dieses Transistors angeschlossen.
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Die Wirkungsweise ist folgende (vgl. auch F i g. 6 a): Ist
eine der Aufladebedingungen erfüllt, d. h., ist C = L,
so ist der Transistor 27 übersteuert. Sind dagegen die Aufladebedingungen
nicht erfüllt, d. h., ist C = 0, so ist er gesperrt. Über das
UND-Glied, bestehend aus den Dioden 9, 10 und dem Widerstand 8,
wird
das RS-Flip-Flop gesetzt (A = L), wenn T = L
UND
C = L ist.
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Bei gesperrtem Transistor, d. h. C =
0, wird das Flip-Flop dagegen über die Diode 10' durch T #
L
gelöscht.
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Die F i g. 7 zeigt eine Schaltung mit einem RS-Flip-Flop, bei
dem im Gegensatz zur F i g. 5 die Verzögerung nicht durch einen Kondensator,
sondern durch den Ladungsspeichereffekt in einem übersteuerten Transistor bewirkt
wird. Zu diesem Zweck dienen die Transistoren 28, 29, an deren Kollektoren
der Takt T eingespeist wird. Diese Transistoren sind gegenüber den Transistoren
5, 7 relativ langsam. Der Transistor 28, der zum Setzen dient, wird,
wie bereits mehrfach erläutert, über ein UND-Glied (11, 12, 13) abhängig
von der Bedingung T UND Ä, d. h. a = L
übersteuert.
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Fällt die UND-Bedingung weg, d. h. tritt T = L auf, so hält
der Punkt a durch den Ladungsspeichereffekt noch kurzzeitig sein Potential, so daß
während dieser Zeit ein best;mmter Teil des Impulses T den Transistor
28 passiert. Es entsteht daher am Punkt e ein Impuls, der das Flip-Flop setzt,
d. h. A = L
(F i g. 7 a).
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Ein entsprechender Vorgang läuft auf der Löschseite ab. Der Transistor
29 ist übersteuert, solange
die Bedingung T =
L UND A = L, d. h. b = L erfüllt ist.
Wegen des Ladungsspeichereffektes ist, nachdem T = 0 wird, b noch
kurzzeitig gleich L, so daß der Impuls T über die Diode 10' und den Transistor
29 für diese Zeit passieren kann. An d entsteht daher ein Impuls,
der das Flip-Flop löscht.
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In der F i g. 8 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
dargestellt, das an die Ausführung nach F i g. 5 anlehnt, gegenüber dieser
jedoch den Vorteil aufweist, unabhängig vom Wechsel T und T zu sein, und zudem sich
gut zum Aufbau von Dezimalzählern eignet. Gegenüber der F i g. 5 weist das
RS-Flip-Flop nach F i g. 8 keine Widerstände, sondern Dioden in der Rückführung
auf. Der wesentliche Unterschied gegenüber der Schaltung nach F i g. 5 ist
jedoch darin zu sehen, daß bei der Schaltung nach F i g. 8 nur noch ein Signal,
nämlich der Takt T, in die Schaltung von außen eingespeist wird. Wie bereits bei
den vorangegangenen Schaltungen mehrfach erläutert, wird der Kondensator
6 über die Diode 31 über das UND-Glied 11, 12, 13 abhängig
von der Bedingung C = T UND 51 aufgeladen. Die Kondensatorspannung
wird mittels des Transistors 32
konjunktiv mit dem Takt T in seiner negierten
Form verknüpft. Der Transistor 32 steuert den Transistor 5
an, derart,
daß er diesen sperrt (A = L), wenn C = L ist
UND T= 0, d. h. T = L ist.
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Die Umschaltung des RS-Flip-Flops (hier durch Sperren anstatt durch
Leitendsteuern eines Transistors) erfolgt daher ebenfalls abhängig von der UND-Verknüpfung
C = L UND T = L, wobei das Signal T nur mittelbar zur
Verfügung steht.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 lehnt sich an die Ausführung
nach F i g. 7 an, bei dem also relativ langsame Transistoren 28, 29
zur Ansteuerung der Flip-Flop-Transistoren 5, 7 dienen. Die Ausführung nach
den Vorteil, F i g. 9 hat, daß wie die aus Ansteuerimpulse F i g.
9 a zu entnehmen für das Flip- ist '
Flop (Reihe e, d)
eine definierte Breite, nämlich die Breite der Taktimpulse T haben. Diese Taktimpulse
werden analog zur F i g. 7 an dem Kollektor der Transistoren 28, 29
eingespeist. Der Takt T wird je-
doch von außen nicht mehr zugeführt, sondern
in der Schaltung durch Negieren von T mittels der Transistoren 28, 29 erzeugt.
Zu diesem Zweck ist der Kollektor des Transistors 29 mit dem Punkt a und
der Kollektor des Transistors 28 mit dem Punkt b verbunden. Über diese
Rückführungen gelangt jedoch auch der Takt T an die Basis der Transistoren
28, 29
und hält dadurch den gerade geöffneten Transistor für die Taktimpulsdauer
offen.
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Wie bereits eingangs erwähnt, können mehrere Binärstufen zu einem
statischen Zähler zusammengeschaltet werden, wobei die Zusammenschaltung nach der
gewünschten Kodierung erfolgt.