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Zeithaltendes Gerät, insbesondere Quarzgroßuhr mit
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elektronisch geregeltem Anzeigesystem.
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Die Erfindung betrifft ein zeithaltendes Gerät, insbesondere Quarzgroßuhr
mit elektronischen Frequenz'teilern, sowie einem elektronisch gesteuerten Motor
mit einer Arbeitswicklung und einer Steuerwicklung, der ein Anzeigesystem antreibt,
wobei nur eine Drehzahl aes Motors oberhalb.
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der Nenndrehzahl steuerbar einstellbar ist, wozu die zeithaltende
bistabile Kippstufe nach Eingang des Soll-lmpulses vom Zeitnormal ein zwischen Teiler
und Ausgarigsverstärker angeordnetes Gate ansteuert.
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Bei bekannten Motorantrieben der infragestehenden Prt, wird der Rotor
mit Impulsen entsprechend der Drehzahl des Rotors 'mit verschiedener Breite und
in verschiedenen Abständen angetriebes.
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Diese Antriebsimpulse haben z. S. in CMOS Schaltkreisen steile Ein-
und Ausschaltflanken. In die Kontrollspule werden folglich Nadelimpulse induziert,
welche am Kontrol leingang unerwünscht sind bzw. die Logik der Integrierten Schaltung
stören. Der Kontrolleingang ist grundsätzlich mit einem Trigger Level versehen,
welcher die Strimpulse erkennt und somit die Logik mehr Impulse zählt als tatsächlich
am Kontrol leingang (entsprechend der Motordrehzahl) anliegen.
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Ubl icherweise wird hier ein Kondensator- parallel zur Kontrollspule
geschaltet um diese Nadelimpulse bzw. hohe Frequenzen kurzzuschl ießen.
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Messungen haben gezeigt, daß dies nur begrenzt möglich ist, oder
nur mit erheblichem Aufwand z. E. mit RC-Gliedern. Diese Möglichkert ist jedoch
aufwendig und hat denNachteil, daß ein erheblicher Spannungsabfall entsteht und
somit am Kontrolleingang eine nicht ausreichende Spannung zur Verfugung steht.
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Höhere WirIdungszahlen für die Kontrollspule sind hier nur eine begrenzte
oglichkeit. Nachteile sind Volumen, Kosten und Wirkungsgrad der Kontrollspule.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe'zugrunde, die Nachteile der bekannten
Motorantriebe zu beseitigen und die Schaltung so auszulegen, daP die unerwünschten
Ndelimpulse:am Kontrolleingang die Logik der integrierten Schaltung nicht stören.
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Erfindungsgemäß wird dies'dadurch erreicht, daE ein digitales Filter
mit nachfolgendem Impulsformer, zur Erzeugung eines schmalen Triggerimpulses bei
Umschaltung von H nach L am Kontrolleingang vorgesehen ist, welches Störimpulse
mit beispielsweise einer Fußbreit z 1,95 msec nicht weiterschaltet, und die Vergleichs-
bzw. Triggerfrequenz aus der Teilerkette des Frequenznormals entnimmt. Die Erfindung
läßt die verschiedensten.Ausführungsms.<llichkeiten zu. Eine davon ist in der
anliegenden Zeichnung, die den Stromlaufplan für eine Tischweckuhr (Quartz-nalog-Weckuhr)
zeit, dargestellt.
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Die Schaltungsanordnung weist einen Zeit-Referenz-Kreis auf, der im
wesentlichen aus einem Schwingkreis und einem frequenzbestimmenden Quartz 1 besteht.
Der Schwingkreis enthält einen Inverter 2, der als Verstärker mit unendlich hoher
Verstärkung ausgelegt ist, sowie einen Rückkopplungswiderstand 3.
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Segmentisch zum Quartz 1 sind zwei Kondensatoren vorgesehen, und zwar
ein Trimmkondensator 4, mi c dem vom Hersteller oder Uhrmacher die exakte Schwingfrequenz
eingestellt werden kann, sowie ein Lastkondensator 5, der etwa die gleiche Kapazität
hat wie der Trimmkondensator 4 in seiner Mittel-Stelluntg.
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Beide Kondensatoren 4, 5 sind mit ihren dem Quartz 1 abgewandten Enden
an Masse gelegt.
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Der Zeit-Referenz-Kreis liefert eine Frequenz von 4 194 304 Hz, die
in nachgeschalteten Frequenzteilerketten 6, 7 heruntergeteilt wird.
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In der ersten Frequenzteilerkette 6 sind 22 Flipflops 8 - 29 hintereinandergeschaltet,
sodaß das am Eingang der Frequenzteilerkette 6 anstehende 4,19 Hz-Signal bis auf
eine Sekunde heruntergeteilt wird.
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Die zweite Frequenzteilerkette 7 weist dagegen nur 13 Flipflops 30
- 42 auf, d. h. das 4,19 Mz-Sional wird nur auf 512 Hz heruntergeteilt. Vom Ausgang
dieser zweiten Frequenztellerkette 7 führt eine Verbindung auf den einen Eingang
eines NAND-Gatters 43, an dessen zweitem Eingang ein 1 FIz-Signal ansteht. Der Ausgang
dieses NAND-Catters 43 ist mit dem Eingang eines Inverters 44 verbunden, der seinerseits
mit seinem Ausgang an der Basis eines Transi-stors 45 liegt.
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Der Emitter dieses Transistors ist an Spannungs-Potential VSS gelegt,
an dem auch die Anode einer Diode 46 liegt, die mit Ihrer Kathode an den Kollektor
des Transistors 45 und an einen elektroakustischen Wandler 47 angeschlossen ist.
Die Kathode der Diode 46 bzw. der Kollektor des Transistors 45 liegen an einer Induktivität
48, die mit ihrem anderen Ende an VDD-Potential angeschlossen ist. An diesem VDD-Potential
liegt auch der zweite Anschluß des elektro-akustischen Wandlers 47, der beispielsweise
ein piezo-elektrischer Wandler ist.
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Der Transistor 45, die Diode 46, der elektro-akustisch Wandler 47
und die Induktivität 48 bilden zusammen einen Summer, mit dem ein akustisches Wecksignal
gegeben werden kann. Dieses Wecksignal|best'eht aus einem 512 Hz-Ton, der im Sekundentakt
ertönt. Im einzelnen wird das Signal dadurch erzeugt, daß die von der Frequenzteilerkette
7 kommenden 512 Hz-Impulse am NAND-Eatter 43 im 1 Hz-Rhythmus getaktet werden und
in dieser getakteten Form auf die Basis des Transistors 45 gelangen.
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Dieser Transistor 45 wirkt als Torschaltung und beaufschlagt somit
impulsweise den elektro-akustischen Wandler 47 mit eincm elektrischen Signal.
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Da dieser Wandler 47 mit einer relativ hohen Spannung betrieben wird
(ca. 4Q Volt), ist die Induktivität 48 vorgesehen, die auf Grund des Ein- und Ausschaltens
des Transistors 45 Spannungsspitzen von der gewünschten Grace erzeugt. Um den Transistor
45 durch die relativ hohen Spannungsspitzen nicht zu beschadigen ist die Diode 46
vorgesehen, welche:die negativen Spannung spitzen von dem Transistor 45 fernhält.
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Im folgende wird nun die Steuerung bzw.-Regelung der Uhr beschrieben.
Hierbei wird davon ausgegangen, daß eine Arbeitsspule einer elktrischen Analog-Uhr
entsprechend ihrer Zeitabweichung relativ zu einem Quartz-Zeitnormal mit einem oder
mehreren Korrekturimpulsen beaufschlagt wird. Um diese Korrekturimpulse zu definieren,
wird die Differenz zwischen dem Soll- und dem Ist-Wert gebildet. Der Sollwert wird
dabei von dem Quartz-Zeitnormal abgeleitet, während der Ist-Wert vom Uhren-Antriebsmotor
kommt.
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Wie bereits oben erwähnt, steht am Ausgang des Flipflops 29 der Frequenzteilerkette
6 ein 1 Hz-Signal an, welches - da es vom Quartz-Normal abgeleitet'ist - den genauen
Sekundentakt darstellt. Dieser Sekundentakt oder Sekunden-Sollwert wird Uber einen
Impulsformer 49 auf ein RS-Flip-flop 50 gegeben, das an seinem Ausgang pulsmodulierte
Signale abgibt. Auf den einen Eingang des D-Flip-flops 51 werden die von dem Frequenzteiler-Flipflop
29 kommenden Sekundenimpulse gegeben, während auf den anderen Eingang dieses Flipflops
51 eine 4096 Hz-lmpulsreihe 'oelangt, die von der Teilerkette 6 abgezweigt wird.
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Das NICHT-ODER-Gatter 52 erhält sowohl die Sekundenimpulse als auch
die vom Q-Ausgang des Flipflops gelieferten Impulse. Am Ausgang des NICHT-ODER-Gatters
52 erscheinen dann x Impulse mit einem Impulsabstand von 1 Sekunde und einer Impulsbreite
von 4096 Hz ^- 2,441 . 10 4 Sekunden. Diese Impulse repräsentieren die Soll-Frequenz
der Uhr.
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Auf ähnliche Weise, wie die Soll-Frequenz aufbereitet wurde, wird
nun auch die Ist-Frequenz aufbereitet. Hierfür ist ein gesonderter Impulsformer
53 vorgesehen, der aus einem D-Flipflop 54 und einem NlCHT-ODER-Catter 55 besteht.
Diesem Impulsformer 53 wird das 1 Hz-ist-Sional des Uhren-Motors sowie ein 2048
Hz-Signal aus der Frequenzteilerkette 6 zugeführt.
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Somit steht am Ausgang des NICHT-ODER-Gatters 55 eine 1 Sekunden-lst-lmpulsreihe
mit einer Impulsbreite von 1 2048 Hz 5 4,88 ' 10-4 Sek.
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Das RS-Flipflop 50, welches aus den beiden kreuzgekoppelten NlCHT-ODER-Gattern
56, 57 besteht, erhält somit aus dem NICHT-ODER-Gatter 52 Soll-Impulse, während
es aus dem NICHT-ODER-Gatter 55 Ist-impulse erhält. Die Abstände der Impulse sind
in beiden Fällen 1 Sekunde, wobei die Impulsbreiten der jeweiligen Impulsreihen
um den Faktor 2 verschieden sind, damit der Ist-Wert dominant bleibt.
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Am Ausgang Q des RS-Flipflops 50 steht dann ein L-Signal an, wenn
am Eingang R ein L-Signal und am Eingang S ein O-Signal ansteht. Tritt dagegen die
Kombination S = L/R = 0 auf, so ist Q = 0. Bei S = L/R =L ergibt sich an sich ein
irregulärer Abstand. Da jedoch die Impulsbreiten der Soll- und Ist-lmpulse verschieden
sind, tritt der irreguläre Zustand nicht auf. Die 'am Ausgang des RS-Flipflops 50
erscheinenden Impulse haben somit eine Impulsbreite, die der zeitlichen Abweichung
zwischen einem Soll-Sekunden-lmpuls und einem Ist-Sekunden-lmpuls entspricht. Die
Zeitabweichung erscheint auf diese Weise in pulsbreitenmodul ierter Form.
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Die pulsbreitenmodulierte Zeitabweichung korrigiert nun die Amplituden
der Sinussignale, mit der die Antriebsspule der Uhr beaufschlagt wird. Diese Beaufschlagung
erfolgt jedoch nicht ohne vorherige Modifikation durch ein NICHT-UND-Gatter 58,
das an seinem zweiten Eingang mit Signalen aus einer Frequenzteilerkette 59 versorgt
wird, die aus sechs Flipflops 60 - 65 besteht.
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Diese Frequenzteilerkette 59 ist mit ihrem Eingang an den 512 Hz-Takt
angeschlossen, der ihr ober ein der ODER-Catter 66 entweder aus der Frequenzteilerkette
6 oder aus der Frequenzteilerkette 7 geliefert wird. Der Ausgang der Frequenzteilerkette
59 liegt - wie berèits erwahnt - an dem NICHT-UND-Catter 58.
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Mit Hilfe der sechs Flipflops 60 - 65 kann die Frequenztcilerkette
die
Frequenz von 512 Hz auf 8 Hz herunterteilen. Eine Besonderheit der Frequenzteilerkette
besteht nun darin, daß sie über eine Leitung 67 gesetzt erden kann, sodaß sie eine
Binärzahl darstellt. Da die Flipflops 60 - 65 die Setzeingänge R, S, R, S, R, R
haben, bedeutet dies, daß die Binärzahl LOLO mit den Flipflops 63, 62, 61, 60 darstellbar
ist, die der Dezimalzahl 10 entspricht. Um diese Zahl zu setzen, genügt ein Impuls
auf der Leitung 67. Durch nachfolgendes Takten der Frequenzteilerkette 59 aus den
Teilerketten 6, 7 kann die eingestellte Binärzahl heruntergezählt werden. Welche
Funktion die Frequenzteilerkette hierdurch ausübt, wird weiter unten noch näher
erläutert. Zuvor soll jedoch noch beschrieben werden, wie die Ist-Impulse im einzelnen
abgeleitet werden.
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Ausgangselement für die Aufnahme der Ist-Zeit ist die Steuerspule
68 des Uhrwerks, die von einem kontinuierlich rotierenden motor so beaufschlagt
wird, daC in ihr eine Spannung entsteht, welche ehn Maß für die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Motors ist.
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Diese in der Steuerspule 68 induzierte Spannung wird sodann 'weiterverarbeitet
und aufbereitet.
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Parallel zur Steuerspule 68 ist ein Kondensator 69 vorgesehen, dessen
Aufgabe darin besteht, eventuelle Storspannungsspitzen kurzzuschließen.
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Die aus der Spule 68 und dem Kondensator 69 bestehende Parallelschaltung
ist eine Mittenanzapfung eines die Widerstände 70, 71 aufweisenden Spannungsteiles
angeschlossen, wobei dieser seinerseits an eine Batterie 72 liegt. Durch diese Maßnahme
wird erreicht, daß das an der Spule 68 auftretende Wechsel spannungspotential um
einen Gleichstromanteil angehoben wird, sodaß der Inverter 73, der zugleich ein
Eingangsschwel lenwertschal ter ist, in den richtigen Zeitpunkten des Wechselspannungs-Ist-Signals
durchschaltet und somit ein dem Wechsel spannungs-Ist-Signal exakt zugeordnetes
Rechteck-Signal erzeugt.
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Von dem Ausgang des Inverters 73 führt eine Verbindung auf die R-Einganoe
zweier Flipflops 74, 75 sowie auf den Eingang eines Inverters 76, dessen Ausgang
mit dem D-Eingang des Flipflops 74 verbunden ist. Die C-EingEnse der Flipflops 74,
75 sind über einenweitern Inverter 77 mit dem Ausgang des Flipflops 21 der Teilerkette
6 verbunden. Mit der Gesamtheit der Elemente 74, 75, 76, 77 wird eir digitales Filter
aufgebaut, welches die Frequenzen oberhalb der Frequenz 256 Hz ausfiltert. Die Filterfrequenz
könnte statt 256 Hz auch eine andere Frequenz sein, wichtig ist nur, daß die normalerweise
an der Spule 68 anstehende 16 Hz-Frequenz durchgelassen wird.
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Nach dem das digitalisierte und digital gefilterte Ist-Signal das
Digitalfilter durchlaufen hat, gelangt es auf einen Impulsformer, der aus dem relativ
breiten 16-Hz-Signal eine Quasi-Nadelimpulsfolge herstellt. Dieser Nadelimpulsformer
besteht aus zwei Flipflops 78, 79, einem NICHT-ODER-Gatter 80 und einem Inverter
81, wobei der Inverter 81 aus der Frequenzteilerkette 6 mit einem 2048 Hz-Signal
gespeist wird, Am Ausgang des NlCHT-ODER-Gatters 80 stehen somit 16 Hz-lmpulse 1
4 an, die eine Basisbreite von -2048 Hz = 4 882'' 10 4 Sekunden aufweisen. Diese
16 Hz-Nadel-lmpulse steuern nun einen weiteren Inverter 82 und eine Ztihlerkette
mit vier Flipflops 83, 84, 85, 86 an, welche am Ausgang ein 1 Hz-lst-Signal liefert.
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Dieses Ist-Signal wird, wie bereits erwähnt, auf den Impulsformer
53 sowie auf das NICHT-UND-Gatter 43 gegeben. Das NICHT-UND-Gatter 43 kann allerdings
auch ebensogut ein 1 Hz-Signal aus dem Flipflop 29 erhalten..
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Es soll nun noch einmal das Ausgangssignal des Gatters 80 betrachtet
werden, das der Teilerkette 59 über die Leitung 67 zugeführt wird. Dieses Signal
ist so aufbereitet, daß es exakt im Nulldurchgana eine Sinussignals an der Spule
68 einsetzt.
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Bei diesem Nulldurchgang werden somit die Flipflops 60 - 65 auf eine
Dual zahl gesetzt, z. B. eine Dualzahl , die der Dezimalzahl 10 entspricht. Nun
wird der Eingang der Kette 59 mit 512 Hz-lmpulsenbeaufschlagt, bis die Kette des
Dezimal-Zählerstand 32 hat, d. h. bis am Ausgang der Kette 59 ein H-Signal ansteht.
Hierdurch wird ereicht, daß die Kette 59 gewissermaCen als Zeitglied wirkt, die
den Zeitpunkt bestimmt, zu dem das dem P.ntriebsmotor zugeführte elektrische Signal
mit einem Korrekturimpuls beaufschlagt wird. Das Korrektursional wird also, nachdem
der. Startpunkt durch das vom Gatter 80 kommende Signal klar definiert wurde, nach
einer exakt vorbestimmten Zeitam Gatter 58 freigegeben.
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Somit werden den wechselstronfcrmigen Antriebs impulsen der Arbeitsspule
87 über einen Feldeffekttransistor 88 und eine Widerstand 89 Korrektursignale zugeführt.
Diese Korrektursignale erhohen die Amplitude des elektrischen Antriebssignals, das
an der Spule 87 ansteht, um einen Betrag, welcher der Frequenzabweichung der Uhr
entspricht. Die Erhöhung der Amplitude kann dabei von Halbwelle zu Halbwelle des
an der Spule. 87 anstehenden wechselstromfc".rmigen Sicnals variieren, wobei die
Variation von der ermittelten Regelabweichung zwischen Soll- und Istwert abhängt.
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Der Widerstand 89 hat lediglich die Aufgabe, die der Spule 87 zugeführten
Korrekturimpulse abzuschwächen, und zwar in Abhängigkeit von der benötigten Antriebsenergie.
Werden mit dem Uhrenmotor beispielsweise relativ schwere Uhrzeiger bewegt, so kann
der Widerstand 76 sehr klein gewählt werden, damit die Spule 87 mit viel Energie
beaufschlagt wird.
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Die Funktion des eingangs erwähnten erfindungsqemäßen digiteilen Filters
mit nachfolgendem Impulsformer sei nachstehend nochmals gesondert beschrieben: Der
Tiefpaß besteht aus den beiden D-Flipflop 74, 75 und den beiden Invertern 73, 76.
Am Eingang liegt eine sinusformige Kontrollspannung des Motors von ca. 16 Hz an.
Der Inverter 73 digitalisiert diese Kontrollspannung in eine Rechteckspannung.
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Ist der Eingang H, wird der Ausgang N2 H. Schaltet das Vergleichssignal
am C/74 nach H wird Q/74 auch H. Am C/75 I-iegt L an bis entsprechend den 256 Hz
2 T = 1,95 msec C/75 H wird.
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Wird C/75 H und D/75 ist noch H wird der Ausgang des Filters Q/75
H. Das Eingangssignal ist somit weitergeschaltet, da es < 256 Hz ist.
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Nimmt man an, daß ein Störimpuls am Eingang anliegt, also der Impuls
eine FuBbreite von < 1 98 msec hat, wird D/74 H.
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Die Vergleichsfrequenz z. B. 256 Hz schaltet mit seiner positiven
Flanke an C/74 Q von 74 nach H. 75 schaltet aber noch nicht weiter, da der Inverter
77 an C/75 L anliegt.
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Steht der Störimpuls kürzer als 1,95 msec am Eingang, wird der Ausgang
von 73 H.
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74 und 75 werden zurückgesetzt bevor das Signal am D/75 von C/75 we
i tergeschal tet werden kann.
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Die nachgeschaltete Impulsformerstufe sorgt nun dafür, daC bei einer
Veränderung am Eingang von H nach L am Ausgang der Impulsformerstufe ein Nadel impuls
erzeugt wird, welcher unabhängig von der Impulsbreite des Einganossignals ist und
z..B. eine Impulsbreite von ca. 0,25 msec hat. Die zur Impuisformung notwendige
Vergleichsf-requenz wird dabei aus dem Frequenzteiler der zeithaltenden Teilerkette
entnommen.
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L e e r s e i t e