DE2119091A1

DE2119091A1 - Spannungsgesteuerter Taktgenerator

Info

Publication number: DE2119091A1
Application number: DE19712119091
Authority: DE
Inventors: Marvin Aaron Monsey N.Y. Epstein (V.StA.)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1970-04-22
Filing date: 1971-04-20
Publication date: 1971-11-04
Also published as: CH537670A; US3633115A; FR2131146A5

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul
7 Stuttgart

M.A. Epstein - 4

INTERNATIONAL. STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Spannungsgesteuerter Taktgenerator

Die Erfindung betrifft einen spannungsgesteuerten Taktgenerator, der einen Ausgangstakt erzeugt, dessen Frequenz gleich der eines Eingangstaktes ist, und der mit dem Eingangstakt synchron läuft.

In den letzten Jahren sind spannungsgesteuerte Oszillatoren und spannungsgesteuerte Taktgeneratoren in vielen Systemen verwendet worden, z.B. in binär arbeitenden Datenverarbeitungssystemen, bei der Pulscodemodulation, bei mit dem Zeitmultiplexverfahren arbeitenden Nachrichtensystemen und bei Nachrichtensystemen,die mit Frequenzmodulation arbeiten. Bei diesen Systemen wird der spannungsgesteuerte Taktgenerator dazu verwendet, einen Takt zu erzeugen, dessen Phase mit der Phase einer vorgegebenen Komponenten eines anderen Zeichens des vorliegenden Systems, deren Phase sich ändern kann, synchron läuft. Insbesondere sind solche spannungsgesteuerte Taktgeneratoren dazu verwendet worden, einen örtlichen Takt in Abhängigkeit von der Bit- oder Rahmenfrequenz eines binärcodierten Signals zu erzeugen, das wiederum zur Steuerung der Verarbeitung des binären Signals verwendet wird, z.B. zur Wiederherstellung einer Wellenform, zur Trennung der Multiplexkanäle , zur Dekodierung der binären Daten oder zur Wiederherstellung des frequenzmodulierten Zeichens.

In letzter Zeit sind spannungsgesteuerte Taktgeneratoren zu notwendigen Komponenten von Systemen geworden, die asynchrone Datenströme vervielfachen und verarbeiten. 16.April 1971

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Die spannungsgesteuerten Taktgeneratoren werden dazu verwendet, den Phasenveränderungen der modifizierten Datenstromtakte zu folgen, und gleichzeitig große Unregelmässigkeiten der Phase, die im Laufe der Verarbeitung des Eingangsdatenstromes auftreten, auszugleichen. Bei den bekannten Systemen hat man bisher analog arbeitende Spannungsgesteuerte Oszillatoren oder Taktgeneratoren verwendet.

Aufgabe derv\Erfindung ist es, einen digital arbeitenden spannungsgesteuerten Taktgenerator zu schaffen, der an Stelle der bisher verwendeten analog arbeitenden spannungsgesteuerten Oszillatoren verwendet werden kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch eine Generatorstufe, die einen örtlichen Takt mit erzeugt, dessen Frequenz gleich L mal der genannten Frequenz Jst, wobei L eine ganze Zahl größer als 1 ist, und die wenigstens ein erstes Zeitzeichen erzeugt, das ein erstes Aktivierungsintervall bestimmt, durch eine Zählschaltung, die abhängig von dem örtlichen Takt und dem ersten Zeitzeichen den Ausgangstakt erzeugt, und durch eine Komparatorschaltung, die auf das erste Zeitzeichen und auf die Phasenrelation zwischen Eingangs- und Ausgangstakt anspricht und die Erzeugung der Ausgangstakte synchron mit dem Eingangstakt steuert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus den Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und den Zeichungen hervor. Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig.l ein Blociüiagramm, das den Grundgedanken der Erfindung veranschaulicht,

Fig.2 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig.3 Zeitdiagramme, die zur Erklärung des Betriebes der Schaltungsanordnung der Fig.2 verwendet werden.

In Fig.l ist ein Blockdiagramm einer Schaltungsanordnung gezeigt, die der Grundkonzeption eines erfindungsgemäßen,

V- .

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spannungsgesteuerten Oszillators entspricht. Ein Impulsgenerator 1 mit starrer Frequenz, dessen Wiederholungsfrequenz gleich einem vorgegebenen Vielfachen L der nominellen Wiederholungsfrequenz des gewünschten Ausgangstaktes ist, ist mit einem Binärzähler 2 verbunden, damit der gewünschte Ausgangstakt mit einer vorbestimmten durchschnittlichen Frequenz erzeugt wird. Der Generator 1 ist außerdem mit einer Entscheidungsstufe 7 verbunden, um deren Betrieb zu synchronisieren. Das Ausgangszeichen des Zählers 2 · wird zusammen mit dem Eingangszeichen veränderlicher Phase von dem Taktgeber 3, das eine vorgegebene mittlere PuIsfolgefrequenz hat, einem digitalen Phasenkomparator 4 zugeführt, der die Phase der beiden Takte modulo M Zyklen vergleicht. Der Komparator 4, der von einem ersten Zeitzeichen eines Zeittaktgebers 5 gesteuert wird, wird lediglich während eines ersten Aktivierungsintervalls aktiviert, und er kann seinen Zustand während eines definierten Intervalls während dieses Zeitzeichens nicht ändern, so daß das Ausgangsfehlerzeichen nicht behindert wird. Der Phasenkomparator 4 arbeitet modulo M Zyklen, indem er sowohl d*n Eingangstakt als auch den Ausgangstakt durchweinen vorgegebenen Faktor M dividiert, bevor sie einem digitalen Phasenkomparator zugeführt werden, der das Phasenfehlerzeichen erzeugt. Der Zeittaktgeber 5 erzeugt außerdem ein zweites Zeitzeichen mit einem zweiten Aktivierungsintervall, das zusammen mit dem Phasenfehlerausgangszeichen des Komparators 4 einer Entscheidungsstufe 7 zugeführt wird, damit 1 von 3 Zeichen erzeugt wird, das dem Zähler 2 zugeführt wird und zur Änderung seines Zählstandes dient, so daß der Ausgangstakt des erfindungsgemäßen spannungsgesteuerten Oszillators der Phasenveränderung des Eingangstaktes des Taktgebers 3 folgt. Die Entscheidungsstufe 7 kann so verändert werden, daß sie η Impulse addiert oder subtrahiert. Das Ausgahgszeichen 1 von der Entscheidungsstufe 7 bedeutet, daß keine Änderung stattgefunden hat und folglich die Eingangs- und Ausgangstakte während des zweiten Aktivierungsintervalls oder bei Abwesenheit des zweiten

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Aktivierungsintervalls im wesentlichen gleichphasig sind. Ein anderes, von der Stufe 7 erzeugtes Ausgangszeichen führt) dem Zähler 2 einen Impuls zu, so daß dessen Zählstand erhöht wird, damit der Ausgangstakt der Phasenveränderung des Eingangstaktes folgt. Ein drittes Ausgangszeichen der Entscheidungsstufe 7 subtrahiert an einer geeigneten Stelle in dem Zähler 2 einen Impuls, um dessen Zählung zu verzögern, so daß der Ausgangstakt der Phasenveränderung des Eingangstaktes folgt. Die beiden letzgenannten Ausgangszeichen der Entscheidungsstufe 7 können lediglich während des zweiten Aktivierungsintervalls auftreten .

Wie.oben bereits vermerkt-wurde arbeitet der Phasenkomparator modulo M Zyklen. In der Kurve A der Pig·. 3 ist eine Impulsfolge mit einer Pulsfolgefrequenz von 18,4 MHz dargestellt. Der Ausgang eines Taktgebers 14 ist mit einem Binärzähler 15 verbunden, der die ankommenden Impuls durch N=l6 000 dividiert, so daß an seinem Ausgang eine Wellenform mit einer Frequenz von 1,15 KHz erzeugt wird, wie wie in der Kurve B der Pig.3 dargestellt ist. Der Ausgang des Zählers 15 ist mit einer Differenzierschaltung 16 verbunden, die lediglich die positiven Werte auswertet, so daß die in der Kurve C der Fig.3 dargestellte Wellenform erzeugt wird. Der Ausgang der Differnzierschaltung 16 ist mit einer nicht von einem Taktgeber gesteuerten RS-Kippstufe 17 verbunden, die ein in der Kurve D der Fig.3 dargestelltes Ausgangszeichen erzeugt. Das Ausgangszeichen der Kippstufe 17 wird einer mit einem Taktgeber verbundenen RS-Kippstfe 18 zugeführt, so daß das Ausgangszeichen "l" der Kippstufe 17 dem eingestellten Eingang der Kippstufe 18 zugeführt wird. Die Kippstufe 18 erhält ihren Eingangstakt von dem Ausgang eines Inverters 37, der mit dem Taktgeber 14 verbunden ist. Das Ausgangszeichen "I' der Kippstufe l8 ist in der Kurve E der Fig. 3 dargestellt, und es wird dem Rückstelleingang der Kippstufe 18 direkt zugeführt und dem Rückstelleingang der Kippstufe 17

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über eine UND-Schaltung 19, deren anderem Eingang die von dem Taktgeber 14 erzeugte Impulsfolge zugeführt wird. Das Ausgangszeichen an dem "O '-Ausgang der Kippstufe 18 ist durch das Zeichen E markiert und ist das Komplement der Kurve E der Fig.3. Eine UND-Schaltung 20 ist mit dem "o"-Ausgang der bistabilen Kippstufe l8 verbunden, so daß sie, von dem Taktgeber 14 gesteuert, einen örtlichen Takt mit einer Pulsfolgefrequenz von 18,4 MHz erzeugt, bei dem jeder N-te Impuls unterdrückt ist. Die Unterdrückung der Impulse des Ausgangszeichens der UND-Schaltung 20, das in der Kurve G der Fig.3 dargestellt ist, wiederholt sich mit einer Frequenz von 1,15KHz. Dieses Taktzeichen der UND-Schaltung 20 treibt eine Zählkette an, die Zähler 9 und 10 ' ₍ umfaßt. An dem "l'^;-Ausgang der Kippstufe 18 ist eine UND-Schaltung 21 angeschlossen, die von dem Taktgeber 14 gesteuert wird, um den Unterdrückungsimpuls zu erzeugen, vgl. Kurve F der Fig.J. Dieses Zeitzeichen umfaßt das zweite Aktivierungsintervall.

Der "l"-Ausgang der zweiten Kippstufe des Zählers 9 ist in der Kurve H der Fig.3 dargestellt, während das Ausgangszeichen des O"-Ausgangs derselben Kippstufe des Zählers das Komplement E der Wellenform H ist. Diese beiden Ausgangszeichen werden 2 UND-Schaltungen 22 und 23 eines Addierers 11 zugeführt. Die anderen Eingangszeichen dieser UND-Schaltungen 22 und 23 werden von dem Ausgang einer JK-Kippstufe 24 erzeugt, deren Betrieb weiter unten im Zusammenhang mit dem Phasenkomparator näher beschrieben wird. Die Ausgänge der UND-Schaltunyen 22 und 23 sind über eine ODER-Schaltung 25 mit einem Inverter 26 verbunden, und auf diese Weise erhält man einen Addierer der modulo 2 arbeitet und in Fonp einer Antivalenzschaltung aufgebaut ist. Wie oben erwähnt wurde, wurdeder Eingangstakt veränderlicher Phase von dem Zähler 8dLvidiert, so daß die Wellenform Jeder Fig.3 und ihr Komplement J erzeugt wird,

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und der Ausgang des Zähler 10 wurde in ähnlicher Weise von dem Zähler 12 dividiert, damit so die Phasenreferenzwelle I erzeugt wurde. Der Phasenkomparator 13 umfaßt eine bistabile RS-Kippstufe 28, dessen Takteingang mit dem Ό"-Ausgang des Zählers 12 verbunden ist, dessen Einstelleingang über eine UND-Schaltung 29 mit dem ^:1"-Ausgang des Zählers 8, und dessen Rückstelleingang über eine UND-Schaltung 30 mit dem "O"-Ausgang des Zählers 8 verbunden ist. Die üND-Schaltungen 29 und 30 empfangen an ihrem zweiten Eingang das erste Aktivierungsintervall-Zeitzeichen, das von dem ¹¹O"-Ausgang der Kippstufe 18 abgeleitet ist und das Komplement der Wellenform E der Pig.3 bildet, und das dazu dient, eine Änderung des Zustands der Kippstufe 28 während des Intervalls des unterdrückten Impulses zu verhindern, das ist das Intervall indem die Phaseneinstellung des örtlich erzeugten Ausgangstaktes durchgeführt wird. Das Ausgangszeichen des "Ί^;!-Ausgangs der Kippstufe 28 ist in der Kurve K der Figur dargestellt. Es wird sowohl dem Einstell- als auch dem Rückstelleingang der JK-Kippstufe 24 zugeführt. Der Eingangstakt der Kippstufe 24, der von dem Ausgang der UND-Schaltung 21 erzeugt wird, ist der in der Kurve P der Fig.3 dargestellte fehlende Impuls. Das Ausgangszeichen des '1*^!-Ausgangs der Kippstufe 24 ist in der Kurve L der Fig.3 dargestellt. Dieses Zeichen wird einem Eingang der UND-Schaltung 22 zugeführt während das Komplement dieser Kurve, das an dem ^!l0"-Ausgang der Kippstufe 24 erscheint, dem zweiten Eingang der UND-Schaltung 23 zugeführt wird.

Im folgenden wird ausführlich beschrieben, wie die Phaseneinstellung des lokalen Taktes durch die Zählkette, welche die Zähler 9 und 10 umfaßt, durchgeführt wird. Es wird zunächst die relative Phasenbeziehung zwischen den Zeichen J und I betrachtet, die der Kippstufe 28 etwa zur Zeit des fehlenden Impulses zugeführt werden, wie es durch die Punkte 31 und 32 der Kurven G, I und J der Fig.3 dargestellt ist. Wenn die ansteigende Kante Jl der Kurve I

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dem Takteingang der Kippstufe 28 zugeführt wird, dann ist das Eingangszeichen J, das durch die UND-Schaltungen 29, die durch das Kompliment der Kurve E geöffnet wird, eine Ό", und das J-Eingangszeichen, das durch die UND-Schaltung 30, die durch das Komplement der Kurve E geöffnet wird, gelangt, ist eine "I¹. Die Kippstufe 28 ist jetzt in ihrem Zustand "Ό" und das Ausgangszeichen K ist eine "θ", wenn der fehlende Impuls des Ausgangszeichens der UND-Schaltung'21 ankommt. Bei diesem Ausgangszeichen von der Kippstufe 28 bleibt die bistabile JK-Kippstufe in demselben Zustand, der in diesem Falle das Ausgangszeichen "θ" der Kurve L ist, während das Komplement L im Zustand ¹I'¹ bleibt. Bei diesem Zustand vermag das Kompl ment der Kurve H den Zähler 10 anzutreiben und dadurch den in der Phase eingestellten örtlichen Takt am Eingang des Zählers 10 mit einem fehlenden Impuls aufrecht zu erhalten, wie es in der Kurve C dargestellt ist, wobei dieser fehlende Impuls der Zuführung eines -1-Impulses von der Entseheidungsstufe 7 zu dem Binärzähler 2 der Pig.l entspricht.

Es wird jetzt untersucht, was geschieht, wenn die Kurven I und J die bei den^Punkten 33 und j4 dieser Kurven dargestellte Phasenbeziehimng zueinander aufweisen. In diesem Zustand befindet sich die Kippstufe 28 in dem Zustand Ί^!, der ihrem Einstelleingang zu dem Zeitpunkt zugeführt wird, in dem die positive Kante 33 der Kurve I der Fig.3 der Kippstufe 28 einen Taktimpuls zuführt, wodurch bei Ankunft des fehlenden Impulses an dem Ausgang der UND-Schaltung ein Ausgangszeichen '¹I'' erzeugt wird, wie es in der Kurve K der Fig.3 gezeigt ist. Infolgedessen erhalten sowohl der Einstell- als auch der Rückstelleingang der «JK-Kippstufe 24 ein Eingangszeichen "1 ', und ihr Ausgangszeichen wird durch die Zuführung des fehlenden Impulses zu dem Eingangszeichen der Kippstufe 24 vervollständig, was zu der in der Kurve L erzeugten Wellenform 35-'führt. Die Wellen L und L, die den Addiererhälften zugeführt werden, bilden einen

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Additionsübergang jj6 des Eingangszeichens des Zählers 10, wie es in der Kurve M der Fig.3 dargestellt ist. Dieser ♦ eine Additionsübergang, welcher der Zählerkette zugeführt wird, die die Zähler 9 und 10 in der dargestellten Anordnung umfaßt, fügt dem Ausgangstakt effektiv zwei Zählungen hinzu, so daß die Phase des Taktes um 2 vorgerückt wird, was zusammen mit der Wirkung des fehlenden Impulses bei dem Zähler 9 der Zuführung eines +1-Impulses von der Entscheidungsstufe 7 zu dem Zähler 2 der Fig.l entspricht. Die Gesamtwirkung dieses Betriebs bewirkt eine Phasenveränderung des Ausgangszeichens des Zählers 10, so daß dieser der Phasenveränderung des Ausgangs- * zeichens des Taktgebers 3 folgt«

Der digitale, ßpannungsgesteuerte Oszillator liefert einen Ausgangstakt, der der Phase des Eingangstaktes entweder voreilt oder nachläuft, der aber niemals wirklich mit dem Eingangstakt koinzidiert. Diese fehlende Koinzidenz ist eine natürliche Folge der Tatsache, daß der Eingangstakt seine Phase kontinuierlich verändern kann, während die Korrekturen des phasengesteuerten Taktes nit der be-* schriebenen Schaltungsanordnung in quantisierten Schritten durchgeführt wird, die auf die Periode des Taktgebers 14 bezogen sind. Ein Vorteil dieser Schaltungsanordnung ist daran zu sehen, daß die maximale Frequenzverschiebung des Ausgangstakts zu dem nominellen Takt durch die Schrittgröße und die Frequenz der Aktivierungsintervalle begrenzt ist, wodurch eine Glättung des Eingangstaktes erzeugt wird. Mit hinreichend kleiner Schrittgröße und einer geeigneten Begrenzung der Frequenzverschiebung gegenüber der nominellen Phase folgt der örtliche Takt der Phase des Eingangstaktes hinreichend nahe und mit einer ausreichenden Glättung, so · daß der Phasenfehler riguros begrenzt werden kann, so daß er den Anforderungen der gegenwärtigen asynchronen Zeitmultiplex-Verschachtelungs- und -Trennanordnungen erfüllt.

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Claims

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Patentansprüche

QySpannungsgesteuerter Taktgenerator, der einen Ausgangstakt erzeugt, dessen Frequenz gleich dem eines Eingangstaktes ist,und der mit dem Eingangstakt synchron läuft, gekennzeichnet durch eine Generatorstufe (1,4,5; 14,15,20,21), die einen örtlichen Takt erzeugt, dessen Frequenz gleich L mal der genannten Frequenz ist, wobei Ii eine ganze Zahl größer als 1 ist, und die wenigstens ein erstes Zeitzeichen erzeugt, das ein erstes Aktivierungsintervall bestimmt, durch eine Zählschaltung (2;9, 10) die abhängig von dem örtlichen Takt und dem ersten Taktzeichen den Ausgangstakt erzeugt, und durch eine Komparatorschaltung (7>13)i die auf das erste Zeitzeichen und auf die Phasenrelation zwischen Eingangs^ und Ausgangstakt anspricht und die Erzeugung des Ausgangstaktes synchron mit dem Eingangstakt steuert.
2.Taktgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorstufe (1,4,5; 14,15,20,21) einen Takt erzeugt, bei dem Jeder N-te Impuls fehlt, wobei N eine

• sie

ganze Zahl größer als 1 ist, und daß als erstes Zeitzeichen (F) diesen fehlenden Impuls erzeugt.
3.Taktgenerator nach Ansoruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählschaltung eine binäre Zählkette (9,10) umfaßt, und daß die Komparatorschaltung einen digitalen Phasenkomparator (Ij) umfaßt, der mit der Generatorstufe (14,15,20,21) und der Zählkette (9,10) verbunden ist, und der die Phase des Eingangstaktes mit der;. ' des Ausgantaktes vergMcht und daß die Komparatorschaltung eine Entscheidungsstufe (7,24) umfaßt, die auf das Ausgangszeichen des Phasenkomparator (13) und auf den fehlenden Impuls (F) anspricht und den Zählstand der Zählkette (9,10) entsprechend einstellt.

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4.Taktgenerator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatorstufe (14,15*20,21) einen örtlichen Taktgeber (14) umfaßt, an den ein Binärzähler (15) angeschlossen ist der die erzeugte Frequenz durch N dividiert, und daß die Generatorstufe eine logische Schaltstufe (16-21,37) umfaßt, die den fehlenden Impuls (P) erzeugt.
5·Taktgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Sehaltstufe eine erste bistabile RS-Kippstufe (17) umfaßt, deren Einstelleingang mit dem Zähler (15) verbunden ist, daß die logische Schaltstufe

w eine zweite bistabile RS-Kippstufe (18) umfaßt, deren Einstelleingang mit dem "l"-Ausgang der ersten RS-Kippstufe (17) verbunden ist, deren Takteingang mit dem örtlichen Taktgenerator (14) verbunden ist, und deren "1"-Ausgang mit ihrem Rucksteileingang verbunden ist, daß die logische Schaltung eine erste UND-Schaltung umfaßt, deren Ausgang mit dem Rückstelleingang der ersten RS-Kippstufe (17)j und deren beide Eingänge mit dem Taktgenerator (14) bzw. mit dem ^:f 1" -Ausgang der zweiten RS-Kippstufe (18) verbunden sind* daß die logische Schaltstufe eine zweite UND-Schaltung (21) umfaßt, die den fehlenden Impuls (F) erzeugt und deren beide Eingänge mit dem "1^!!-Ausgang der zweiten RS-Kippstufe (18) bzw.

mit örtlichen Taktgenerator (14) verbunden sind, und daß die logische Schaltstufe eine dritte UND-Schaltung (20) umfaßt, die den örtlichen Takt (G) erzeugt, und deren beide Eingänge mit dem ^!!0" -Ausgang der zweiten RS-Kippstufe und dem örtlichen Taktgenerator (14) verbunden sind.
6.Taktgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorschaltung eine bistabile JK-Kippstufe 28 umfaßt, deren Einstell- und Rückstelleingang mit dem Ausgang des digitalen Phasenkomparator (1?), und deren Takteingang mit der auf den fehlenden Impuls ansprechenden Einrichtung (21) verbunden Ist* xmü daß der

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Komparatorschaltung (13) ein modulo 2 arbeitender Addierer nachgeschaltet ist, der den Zählstand der Zählkette (9,10) so einstellt, daß an deren Ende der genannte Ausgangstakt erzeugt wird.
7.Taktgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenkomparator (IJ) eine bistabile RS-Kippstilfe (28) umfaßt, deren Einstelleingang und/oder Rückstelleingang mit dem Eingangstakt und dem örtlichen Taktgenerator (1*4) verbunden sind, und deren Takteingang mit dem Ausgang der Zählkette (9, 10) verbunden ist.

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