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In der digitalen Datenverarbeitung werden oft Zähler benötigt, die
sich auf verschiedene Weise realisieren lassen. Weit verbreitet ist die Verwendung
von Halbleitern, wobei die Zähler bevorzugt aus Funktionsbausteinen, nämlich bistabilen
Kippstufen und logisch wirkenden Verknüpfungsgliedern zusammengesetzt werden.
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Besonders in der integrierten Schaltungstechnik werden nun die Kosten
für einen solchen Zähler im wesentlichen nicht mehr durch die Summe der Einzelelemente,
wie Transistoren, Dioden, Widerstände oder Kapazitäten, sondern durch die Anzahl
der verwendeten Funktionsbausteine, also der bistabilen Kippstufen und der Verknüpfungsglieder
gegeben. Bekanntlich existiert eine Reihe verschiedener Typen von bistabilen Kippstufen
mit unterschiedlich günstigen logischen Eigenschaften. Durch eine bestimmte Zählaufgabe
wird nun im allgemeinen die Anzahl der bistabilen Kippstufen festgelegt, jedoch
aber nicht deren Typ. Durch die Wahl des Typs läßt sich die Anzahl der bei dieser
Zählaufgabe notwendigen Verknüpfungsglieder beeinflussen. Man wird daher für Zähler
denjenigen Typ einer bistabilen Kippstufe heranziehen, der es gestattet, möglichst
viele verschiedene Zählaufgaben mit jeweils möglichst wenigen Verknüpfungsgliedern
zu realisieren. Ein Typ mit solchen Eigenschaften ist das auch schon vorgeschlagene
sogenannte JK-DV-Flip-Flop mit vier Bedingungseingängen, das folgende Wahrheitswerttafel
aufweist:
| Zeile Y" D" J" K" Q"+i |
| Qn |
| 0..:...... 0 0 0 0 |
| I......... 0 0 0 1 Q- |
| Qn |
| 2 ......... 0 0 1 0 |
| 3......... 0 0 1 1 Qn |
| Qn |
| 4......... 0 1 0 0 |
| Qn |
| 5......... 0 1 0 1 |
| 6......... 0 1 1 0 |
| Q |
| Qn |
| 7......... 0 I 1 1 |
| 8......... 1 0 0 0 0 |
| 9......... I 0 0 1 0 |
| 10......... I 0 I 0 0 |
| 11......... 1 0 I 1 0 |
| Qn |
| 12......... I I 0 0 |
| 13......... 1 1 0 1 0 |
| 14......... 1 1 1 0 1 |
| IS......... I 1 1 1 |
| #7 |
An die vier Bedingungseingänge
J, K, D, V eines solchen Flip-Flops, das z
B. aus einem kreuzgekoppelten Hauptspeicher, Zwischenverbindungsgliedern und einem
kreuzgekoppelten Zwischenspeicher aus NAND-Gliedern aufgebaut sein kann, können
alle entsprechenden Permutationen von 0- und 1-Signalen gegeben werden, und jede
Permutation bedingt eine von den vier möglichen Verhaltensweisen der Kippstufe,
nämlich: keine Änderung des Zustandes, immer Zurückführung auf Zustand 0 oder Beibehaltung
dieses Zustandes, immer Zurückführung auf Zustand 1 oder Beibehaltung dieses Zustandes,
immer Änderung von 0 auf 1 bzw.1 auf 0, je nachdem, welcher Zustand vorgelegen hatte.
Bei Anlegung von 1-Signal an den V- und D-Eingang der Kippstufe arbeitet diese Kippstufe
wie ein normales JK-Flip-Flop, wenn an die JK-Eingänge die jeweiligen Kombinationen
von 0- und 1-Signalen gelegt werden.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf eine Schaltungsanordnung für einen
elektronischen Impulszä hier mit festgelegtem Zählumfang aus über logisch wirkende
Verknüpfungsglieder verbindbaren bistabilen Kippstufen mit Bedingungseingängen und
gemeinsam von einer Zähltaktquelle angesteuerten Taktimpulseingängen, und sie ist
dadurch gekennzeichnet, daß als Kippstufen Flip-Flops mit je vier für die Aufnahme
aller entsprechenden Permutationen von 0- und 1-Signalen eingerichteten Bedingungseingängen
(J, K, D, V) vorgesehen sind, von denen entsprechend einem vorbestimmten
Zählkode, z. B. Tetradenkode, ausgewählte Ausgänge mit ausgewählten Bedingungseingängen
verbunden sind, und deren nicht verbundene Bedingungseingänge einen festen logischen
Wert 0 bzw. 1 erhalten.
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Wenn man nicht die als JK-DV-Flip-Flops bezeichneten bistabilen Kippstufen
benutzt, sondern lediglich die bekannten und weit verbreiteten JK-Flip-Flops (vgl.
M. P h i s t e r, Logical Design in Digital Computers, April 63, New York, S. 121
bis 132), benötigt man außer den jeweils vier bistabilen Kippstufen, z. B. für den
8-4-2-1-Kodezähler drei Verknüpfungsglieder, fier den 5-4-2-1-Kodezähler ein Verknüpfungsglied,
für den Zähler im unsymmetrischen 2-4-2-1-Kode vier Verknüpfungsglieder und für
den Excess-3- oder Aiken-Kodezähler ebenfalls vier Verknüpfungsglieder, also insbesondere
bei Zählern, die mit den üblichen Kodes arbeiten, einen erhöhten Aufwand. Durch
die Erfindung verringert sich jedoch die Anzahl der notwendigen Verknüpfungsglieder.
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Die interne Struktur eines JK-D V-Flip-Fiops basiert z. B. auf der
Verwendung von NAND-Gattern, von denen, wie F i g. 5 zeigt, zwei Gatter (G5, GJ
einen kreuzgekoppelten Hauptspeicher und zwei Gatter (G9, G,o) einen kreuzgekoppelten
Zwischenspeicher bilden und Zwischenverbindungsglieder (G,, G.) vorgesehen sind.
Von den weiteren Gattern invertiert das erste Gatter (G1) den Signaleingang K, während
das zweite Gatter (G2) Signale vom ersten Gatter (G1)
und vom zweiten Bedingungseingang
(D) aufnimmt. Das dritte Gatter (G3) wird mit Signalen vom Taktimpulseingang (CP),
vom ersten Bedingungseingang (V), vom zweiten Bedingungseingang (D); vom dritten
Bedingungseingang (J) sowie vom Nebenausgang (@f) angesteuert, und das vierte
Gatter (G4) erhält Signale vom Taktimpulseingang (CP), vom ersten Bedingungseingang
(V), vom Ausgang des zweiten Gatters (G2) und vom Hauptausgang (Q).
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An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer JK-DV-Kippstufe, F i g. 2 einen
Mod-10-Zähler im 8-4-2-1-Kode, F i g. 3 einen Mod-10-Zähler im 5-4-2-1-Kode, F i
g. 4 einen Mod-10-Zähler im unsymmetrischen 2-4-2-1-Kode, F i g. 5 einen Mod-10-Zähler
im Excess-3-Kode, F i g. 6 einen Mod-I 1-Zähler im 8-4-2-1-Kode, F i g. 7 einen
Mod-24-Zähler im 16-8-4-2-1-Kode. Alle Zähler arbeiten synchron, d. h. die Taktimpulseingänge
CP aller bistabilen Kippstufen FF" -. . .
FFd werden
gemeinsam von einer Zähltaktquelle angesteuert: Diese Betriebsart zeichnet sich
gegenüber asynchronen Schaltungen durch größere Störsicherheit, höhere Zählfrequenz
und übersichtlichere Schaltvorgänge aus.
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Gleichartig beschriftete Ausgänge und Eingänge der Kippstufen FF".
.. FFd und der Verknüpfungsglieder sind miteinander verbunden zu denken,
wobei die Ausgänge und Eingänge, mit den. entsprechenden Pfeilen versehen sind.
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F i g. 2 zeigt den bekannten Mod-10-Zähler im 8-4-2-1-Kode, dessen
zehn Zählerstellungen. durch folgende Kodetabellen gegeben sind:
| Dezimal a b c d |
| 0 0 0 0 |
| 1 0 0 0 1 - |
| 2 0 0 1 0 |
| 3 0 0 1 I |
| 4 0 1 0 0 |
| 5 0 1 0 1 |
| 6 0 1 1 0 |
| 7 0 1 1 1 |
| 8 1 0 0 0 |
| 9 1 0 0 1 |
Dieser Zähler benötigt außer den vier bistabilen Kippstufen mit den Bedingungseingängen
J, K, D, V
keine zusätzlichen Verknüpfungsglieder.
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Die Eingänge (J, D, V, K) der Kippstufe FF" und der Eingang
(K) der Kippstufen (FF, und FF") erhalten den festen logischen Wert »1«, und die
Eingänge (D) und (V) der Kippstufen (FF, und FF,) sowie der Eingang
(V) der Kippstufe (FF") sind mit dem Ausgang (d) der Kippstufe (FFd) verbunden;
außerdem sind die Eingänge (J) und (K) der Kippstufe (FFb) sowie der Eingang
(J) der Kippstufe (FF") mit dem Ausgang (c) der Kippstufe (FF,) verbunden,
und schließlich bestehen Verbindungen zwischen dem Eingang (D) der Kippstufe
(FF.) und dem Ausgang (b)
der Kippstufe (FFb) sowie zwischen dem Eingang
(J)
der Kippstufe (FF,) und dem Ausgang (ä) der Kippstufe (FF").
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Die Ansteuerung der Eingänge J, D, V und K durch die
Ausgänge ist gerade derart gewählt, daß durch das Eintreffen der Taktimpulse die
zehn Zählerstellungen in der durch die Kodetabelle gegebenen Reihenfolge durchlaufen
werden.
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F i g. 3 zeigt einen Zähler im 5-4-2-1-Kode mit folgender Kodetabelle:
| Dezimal a b c d 55 Dezimal a b c d |
| 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 |
| 1 ' 0 0 0 1 1 0 0 0 1 |
| 2 0 0 1 0 60 2 0 0 1 0 |
| 3 0 0 1 1 3 0 0 1 1 |
| 4 0 1 `@ 0 0 4 0 t 0 0 |
| 5 1 0 0 0 5 0 1 0 1 |
| 6 i 0 0 1 6 0 t 1 0 |
| 7 1 0 1 0 65 7 0 1 I 1 |
| 8 1 0 1 1 : 8 l 1 I 0 |
| 9 1 1 0 0 9 1 1 1 1 |
Um diese den zehn Zählerstellungen zugeordneten Flip-Flop-Kombinationen zu durchlaufen"kann.m@n
die Eingänge J, D,
V, K jeder bistabilen Kippstufe hierbei auf zwei Arten
ansteuern. Die etwasjynubefsichtlichere Art ist jeweils in Klammern ,gesett@t ;Lli@
fehlende Kennzeichnung ,am Eingang K. des, flp-Flops FFb besagt, daß hier jedes
beliebige Signal, insbesondere beliebig der feste Wert »0« oder. »1« zulässig ist.
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Die Eingänge(P) , und. (V) der,Kippstufe fFd erhalten, den festen
Wert »1 «, und, die Eingänge (J) und (IC) sind mit dem Ausgang (b) der Kippstufe
(FFb) verbünden, ,ferner sind die-Eingänge der Kippstufe (FF,) derart steuerbar,,daß,die.ingänge(D)
und (V) den festen Wert »1« erhalten und die Eingänge. (J) und (K) sind mit dem
Ausgang (d) der Kippstufe (FF.)
verbunden; ferner sind die Eilgänge der, Kippstufe
(FF") derart steuerbar, daß die Eingänge (D);und (V) den festen Wert >>1« erhalten,
und die Eingänge (J) und (K) sind mit dem Ausgang (b) der Kippstufe (FFd) verbunden,
und schließlich sind die Eingänge der Kippstufe (FF,,) derart steuerbar, daß der
Eingang (V)
den festen Wert »1« erhält, und am Eingang (K) ist ein beliebiges
Signal, vorzugsweise der feste Wert »0« oder »1« zulässig, und es sind der Eingang
(J) mit dem Ausgang (d) der Kippstufe (FFd) und der Eingang (D)
mit
dem Ausgang (c) der Kippstufe (FF,) verbunden.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform erhält bei der Kippstufe FFd
der Eingang (J) den Wert » 1 « und der Eingang (K) den Wert »0«, während
der Eingang (D) mit dem eigenen Ausgang (d) sowie der Eingang (V)
mit dem Ausgang (b) der Kippstufe (FFb) verbunden sind. Ferner sind
die Eingänge der Kippstufe (FF,) derart ansteuerbar, daß der Eingang (J)
den
Wert » l « und der Eingang (K) den Wert »0« erhält und der Eingang (D) mit dem eigenen
Ausgang (c) sowie der. Eingang (V) mit dem Ausgang (d) der Kippstufe (FFd) verbunden
sind. Die Eingänge der Kippstufe (FF") sind derart ansteuerbar, daß der Eingang
(J) den Wert »1« und der Eingang (K) den Wert »0« erhalten und der Eingang (D) mit
dem eigenen Ausgang (ä) sowie der Eingang (V) mit dem Ausgang (b) der Kippstufe
(FFb) verbunden werden. Die Eingänge der Kippstufe (FFb) sind derart ansteuerbar,
daß der Eingang (V) den festen Wert »1« erhält und am Eingang (K) ein beliebiges
Signal, vorzugsweise der feste Wert »0« oder »1«, zulässig ist. Der Eingang (J)
ist mit dem Ausgang (c) der Kippstufe (FFc), und der Eingang (D) ist mit dem Ausgang
(d) der Kippstufe (FFd) verbunden.
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In F i g. 4 ist der Zähler des unsymmetrischen 2-4-2-1-Kodes dargestellt.
Seine Kodetabelle lautet:
Die Eingänge J, D, V und K der Kippstufe
(FFd) sowie der Eingang (J) der Kippstufe (FF,) und der Eingang (K) der Kippstufe
(FF") erhalten den festen Wert »1 «, ferner sind die Eingänge (V) der Kippstufen
(FF, FF,, und FF,) sowie der Eingang (D) der Kippstufe (FF,,) mit dem Ausgang
(d) der Kippstufe (FFd) verbunden, außerdem ist der Eingang (J) der Kippstufe
(FF,,) und der Eingang (D) der Kippstufe (FF") von dem Ausgang (c) der Kippstufe
(FF,) ansteuerbar, und schließlich bestehen Verbindungen zwischen dem Eingang (D)
der Kippstufe (FF,) und dem Ausgang (ä) der Kippstufe (FF"), dem Eingang
(K) der Kippstufe (FF,) und dem Ausgang (b) der Kippstufe (FF,,), dem Eingang (K)
der Kippstufe (FF,,) und dem Ausgang (a) der Kippstufe (FF") und zwischen dem Eingang
(J) der Kippstufe (FF") und dem Ausgang (b) der Kippstufe (FF,,).
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Schließlich ist in F i g. 5 ein Zähler im Excess-3-Kode wiedergegeben:
| Dezimal a b c d |
| 0 0 0 1 1 |
| 1 0 1 0 0 |
| 2 0 1 0- 1 |
| 3 0 1 1 0 |
| 4 0 1 1 1 |
| 5 1 0 0 0 |
| 6 1 0 0 1 |
| 7 1. 0 1 0 |
| 8 I 0 1 1 |
| 9 1 1 0 0 |
Dieser Zähler benötigt außer den vier bistabilen Kippstufen nur noch zwei zusätzliche
Verknüpfungsglieder _G, und G2. Dieser Zähler kann auch für den Aikenkode eingesetzt
werden, wenn man berücksichtigt, daß dieser aus dem Excess-3-Kode lediglich durch
Invertierung der Spalte a der Kodetabelle und durch Vertauschen der Dezimalziffern
0 und 5, 1 und 6, 2 und 7, 3 und 8, 4 und 9 hervorgeht.
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Der Aikenkode hat folgende Kodetabelle:
| Dezimal a b c d |
| 0 0 0 a 0 |
| 1 0 0 0 1 |
| 2 0 0 1 0 |
| 3 0 0 I 1 |
| 4 0 1 0 0 |
| 5 I 0 1 1 |
| 6 I 1 0 (1 |
| 7 1 I 0 1 |
| R 1 l 1 0 |
| 9 1 1 1 1 |
Die Eingänge (J, D, V und K) der Kippstufe (FF,,) sowie der Eingang (D) der Kippstufe
(FF,.) und der Eingang (K) der Kippstufe (FF") erhalten den festen Wert »l«, ferner
sind die ersten der beiden Eingänge von ODER-Gliedern (GI und G2) sowie die Eingänge
(D) der Kippstufen (FF,, und FF") mit dem Ausgang (d) der Kippstufe (FF,,) verbunden,
außerdem sind die Eingänge (J) und (K) der Kippstufe (FF,,) sowie der Eingang (J)
der Kippstufe (FF") von dem Ausgang(e) der Kippstufe (FF,) ansteuerbar, weiterhin
besteht eine Verbindung zwischen dem Eingang (V) der Kippstufe (FF"), dem zweiten
Eingang des ODER-Gliedes (G1) und dem Ausgang
(b) der Kippstufe
(FF,,)
und weitere Verbindungen sind zwischen dem Ausgang des ODER-Gliedes
(GI) und dem Eingang (V) der Kippstufe (FF,) sowie zwischen dem zweiten Eingang
des ODER-Gliedes (G2) und dem Ausgang
(a) der Kippstufe (FF") vorgesehen,
und der Ausgang des ODER-Gliedes (G2) führt an die Eingänge (J) und (K) der Kippstufe
(FF,) sowie den Eingang
(V)
der Kippstufe (FF,,).
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Es ist zu berücksichtigen, daß das JK-DI'-Flip-Flop auf Grund seiner
Wahrheitswerttafel gegenüber dem JK-Flip-Flop als höherwertig anzusehen ist. Man
kann das JK-DV-Flip-Flop auf ein JK-Flip-Flop reduzieren, wenn man die Eingänge
D und V fest auf den Wert »1« legt und nur noch die Eingänge J und K benutzt. Dieser
Betriebsfall ergibt sich bei einigen bistabilen Kippstufen in den Zählern nach F
i g. 2 bis 5, und zwar beim Flip-Flop FFd der F i g. 2, F i g. 4 und 5 sowie bei
den Flip-Flops FF, FF,. und FFd der F i g. 3. In den genannten Fällen kann man also
an Stelle der JK-DV-Flip-Flops auch JK-Flip-F)ops einsetzen.
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Mit den JK-D V-Flip-Flops lassen sich nicht nur Mod-10-Zähler aufbauen,
sondern auch Zähler mit anderem vorbestimmten Zählumfang, von denen F i g. 6 einen
Mod-11-Zähler und F i g. 7 einen Mod-24-Zähler als Ausführungsbeispiel zeigt.
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Die entsprechenden Kodetabellen sind für diese Fälle nachstehend angeführt:
| Mod-11-Zähler |
| Dezimal a b c d |
| 0 0 0 0 0 |
| 1 0 0 0 1 |
| 2 0 0 1 (1 |
| 3 (1 0 1 1 |
| 4 (1 1 (( () |
| 5 0 1 0 1 |
| 6 () 1 - 1 0 |
| 7 (1 1 1 I |
| g 1 0 0 (1 |
| 9 1 0 0 1 |
| 10 1 0 1 (1 |
| M od-24-Zähler |
| Dezimal a b c d e |
| 0 (a 0 0 0 0 |
| 1 0 0 (1 0 1 |
| 2 (1 0 0 1 0 |
| 3 (1 0 0 1 1 |
| 4 (1 0 1 (1 0 |
| 5 (1 (1 1 (1 1 |
| 6 (1 (1 1 1 (1 |
| 7 (1 0 1 1 I |
| 8 0 |
| 1 (1 0 0 |
| Fortsetzung |
| Dezimal a b c d e |
| 9 0 1 0 0 1 |
| 10 0 1 0 1 0 |
| 11 0 1 0 1 1 |
| 12 0 1 1 0 0 |
| 13 0 1 1 0 1 |
| 14 0 1 I 1 0 |
| 15 0 1 1 1 1 |
| 16 1 0 0 0 0 |
| 17 1 0 0 0 1 |
| 18 1 0 0 1 0 |
| 19 1 0 0 1 1 |
| 20 1 0 1 0 0 |
| 21 1 0 1 0 1 |
| 22 1 0 1 1 0 |
| 23 1 0 1 1 1 |
Die Verbindungen der Ausgänge der einzelnen Flip-Flops FF"
. . . FFd mit
den jeweiligen Bedingungseingängen sind durch gleiche kleine Buchstaben angedeutet,
während eine »1« am jeweiligen Bedingungseingang bedeutet, daß hier das feste Signal
1
anliegt. Mit CP ist dann der Taktimpulseingang bezeichnet.
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Beim Mod-11-Zähler nach F i g. 6 ist der Bedingungseingang J des Flip-Flops
FFd und der Bedingungseingang D des Flip-Flops FF, über ein ODER-Tor G3 verbunden,
an das der Ausgang ä des Flip-Flops FF,, und der Ausgang e des Flip-Flops
FF, gelegt ist.
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Bei dem Mod-24-Zähler nach F i g. 7 ist noch für die Bedingungseingänge
V der Flip-Flops FF", und FFb ein UND-Gatter U, vorgesehen,. an das
die Ausgänge c, d, e der Flip-Flops FF" FFd und FF, angeschlossen sind.