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Schaltunsanordnung zum Synchronisieren asynchroner Signale Die Bindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung ZULì Synchronisieren asynchroner Signale
mit mindestens einer vor gegebenen Impulabreite in das rndktraster eines Systemes
ist bistabilen Kippstufen, die durch den Systemtakt bzw. einen Hilfstakt mit einer
gegenüber diesem n-fachen Frequenz, aasgelöst durch die asynchronen Signale oder
durch von diesen abgeleitete Signale, setzbar bzw. rücksetzbar sind.
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In der Nachrichtentechnik tritt hufig das Problem auf, ein nach Impulsbreite
und Phasenlage weitgehend beliebiges Rechtecksignal in ein vorgegebenes Taktraster
einzufangen und dabei ein Ausgangssignal ii bilden, dessen Impulsbreite der Taktperiode
entspricht. ediglich als Beispiel für eie praktischen Fall sei hier das Synchronisieren
asynchroner digitalisierter Bildsignale bei einer Anlage zum automati-,schen Erkennen
von Schriftzeichen genannt. Die bei der optischen Abtastung eines Schriftzeichens
gewonnenen Bildsignale müssen digitalisiert und danach mit dem Systemtakt der Anlage
synchronisiert werden, damit sie in einer Klassifizierung-und Erkennungsschaltung
weiter zu verarbeiten sind. Dasselbe Problem tritt aber auch zum Beispiel bei taktgesteuerten
digitalen Steuerungen aut, die an ihren eingangsseitigen Nahtstellen Signale bestimmter
Impulsbreite und definierter Phasenlage bezüglich eines internen Taktrasters benötigen,
bei einer Dateneingabe von Hand in eine datenverarbeitende Anlage über eie Tastatur
oder auch bei der Erfassung von statistisch anfallenden Meßwerten, die mit einer
datenverarbeitenden
Anlage ausgewertet werden sollen.
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Nun ist es allgemein bekannt, für das Synchronisieren systemfremder
Signale bistabile kippstufe zu verwenden, die durch den Systemtakt,auslösbar von
den asynchronen Signalen,geaetzt bzw. rückgesetzt werden. Bezogen auf eine Periode
des Systemtaktes hängt es jedoch von sehr geringen Zeitverschiebungen - oder anders
ausgedrückt einer geringen Änderung der Phasenlage - dieser Signale ab, ob die puffernde,
bistabile Kippstufe durch ein bestimmtes asynchrones Signal gesetzt wird oder nicht.
Als Beispiel dafür sind in Fig. 1 und 2 Impulsdiagramme dargestellt, die das Prinzip
der beiden möglichen Arten der Synchonisierungsfehler zeigen. Dort ist jeweils in
der ersten Zeile eine Daktimpulsfolge T1, in der zweiten Zeile eine bestimmte Impulsfolge
asynchroner Signale AS und in der dritten Zeile eine aus dieser Impulafolge gewonnene
Impulsfolge der synchronisierten Signale SS dargestellt. Ein Vergleich der beiden
Filz 1 und 2 eribt. daß aufgrund aie asyncnronen Signale AS in Fig. 1/ihrer phasenlage
und Impulsbreite bezüglich des Systemtaktes ril nicht in der Lage sind, die synchronisierende
bistabile Kippstufe zu setzen, so daß der Ausgang der bistabilen Kippstufe ständig
im Signalzustand "O" bleibt. In Fig. 2 ist es gerade umgekehrt.
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Dort werden die Unterbrechungen des positiven Signalzustan des der
asynchronen Eingangasignale AS nicht ausgewertet, das heißt, die bistabile Kippstufe
nicht rückgesetzt.
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Ausgehend von dem Gedanken, daß dieser Synchronisierungsfehler bei
Systemen mit höherer Taktfrequenz geringer werden muß, das Taktraster eines taktgebundenen
Systemes aber durch andere in diesem System vorliegenden Bedingungen festgelegt
ist und daher nicht beliebig gewählt werden kann, liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Synchronisieren asynchroner Signale mit mindestens
einer vorgegebenen
Impulsbreite in das Taktraster eines Systemes
zu schaffen, bei der bistabile Kippstufe durch den Systemtat bzw. einen Hilfstakt
mit einer gegenüber diesem n-fachen Fre rJuenz, ausgelöst durch die asynchronen
Signale oder von diesen abge7eitete Signale, setzbar bzw. rücksetzbar sind Diese
Au.gabe wird erfindungsgemäß gelöst durch mehrere, nach Art eines Schieberegisters
hintereinandergeschaltete bistable Kippstufen, die die asynchronen Signale nacheinander
und ausgelöst durch den Hilfstakt übernehmen und durch eine weitere, durch den Systemtakt
auslösbare bistabile Kippstufe, deren Ausgänge jeweils mit gleichartigen Ausgängen
mindestens zweier der erstgenannten Kippstufe derart logisch -verknüpft und auf
jeweils einen ihrer beiden Eingänge rückgekoppelt sind, daß diese weitere Kippstufe
nur dann in ihren anderen Zustand kippt, wenn das asynchrone Signal innerhalb einer
Periode des Systemtaktes mindestens bei zwei Hilfatakten einen gegenüber dem synchronisierten
Ausgangssignal dieser weiteren Kippstufe inversen Signalzustand einnimmt. Da bei
taktgebundenen Systeman ar, sich schon vielfach ein Hilfstaktraster mit einem ganzzahligen
Vielfachen der Systemtaktfrequenz vorhanden ist oder bei dem heutigen Stande der
Schaltkreistechnik auf einfache Weise erzeugt werden kann, hat diese lösung den
Vorteil, daß damit ohne großen Aufwand die oben anhand der Fig. 1 und 2 geschilderten
Synchronisierungsfehler in einem Maße verringertwerden können. das die gewünschte
Störungssicherhei-t garantiert.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
daß die gleichartigen ausgänge jeweils zweier von drei aufeinanderfolgenden der
vom Hilfstakt auslösbaren bistabilen Kippstuten gemeinsam über eines der ersten
UND-Glieder an einen Eingang eines jeweils allen gleichartigen Ausgängen zugeordneten
ODER-Gliedes angeschlossen sind, daß dessen Ausgang über eines der beiden weiteren
UND-Glieder mit einem der beiden Eingänge der weiteren, vom Systemtakt auslösbaren
bistabilen Kippstufe
verbunden ist und daß der zu diesem Eingang
inverse Ausgang dieser Kippstufe an den zweiten Eingang dieses zeiten UND-C-liedes
angeschlossen ist. Diese Schaltungsanordnung ist in einfache Weise aus handelsüblichen,
zum Beispiel auch integrierten Bausteinen aufzubauen und dabei doch so flexibel,
daß sie ohne weiteres an den gewünschten Anwendungsfall anzupassen ist.
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Ein Ausführungabeispiel der Erfindung wird im folgende anhand der
Zeichnungen näher beschrieben. Neben den beiden bereits erläuterten Fig. 1 und 2
zeigt Pig. 3 eine erfindunggemäß ausgebildete Schaltungsanordnung zum Synchronisieren
asynchroner Signale und Fig. 4 bis Fig. 6 jeweils Beispiele für typische linpulafolgen
asynchroner Signale, sowie die mit Hilfe der Schaltungsanordnung daraus gewonnenen
synchronisierten Signale.
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In Fig. 3 ist eine Kette von hintereinandergeschalteten bistabilen
Kippatufen A bis E dargestellt, deren Ausgänge jeweils mit den entsprechenden Eingängen
der nachfolgenden bistabilen Kippstufe direkt verbunden sind und außerdem - wie
durch die Bezugszeichen a bis e bzw. as bis e' angedeutet ist - herausgeführt sind.
Den beiden Eingängen der ersten bistabilen Kippstufe A dieser Kette werden asynchrone
Signale AS direkt bzw.
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über ein Inverterglied 11 im invertierten Signalzustand zugeführt
Sämtliche bistabilen Kippstufe A bis E sind durch eine Hilfstakt T2 auslösbar, der
gegenüber dem eigentlichen Systemtakt T1 eine n-fache Frequenz besitzt, in diesem
Ausführungsbeispiel gilt n = 3. Mit diesem Hilfstakt T2 werden die asynchronen Signale
AS in die Kette der bistabilen Kippstufe A bis E übernommen.
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Nun sind in dieser Schaltungsanordnung die gieichartigen Ausgänge,
zum Beispiel a und b bzw. a und 5 , zweier bistabiler Kippstufen der Kette miteinander
logisch zu 'verknüpfen. Dazu sind erste UmD-Glieder UG1 vorgesehen, die in Fig.
3 als NAND-Glieder dargestellt sind. Es wird noch zu zeigen sein, da dies nur ein
scheinbarer Widerspruch ist, der lediglich auf eine bestimmte Schaltungstechnik
hinweist, für die logische Gesamtfunktion aber keinerlei Bedeutung hat. Ebenso muß
an dieser Stelle festgestellt werden, daß in Fig. 3 wegen der größeren Übersichtlichkeit
nicht sämtliche Leitungsverbindungen zwischen den Ausgängen der bistabilen Kippstufe
A bis E und den ersten UND-Gliedern UG1 dargestellt sind. Lediglich beisp.:elhaft
sind einzelne Leitungsverbindungen zwischen den geraden Ausgängen a, b, c der ersten
drei bistabilen Kippstufen A bis C mit den entsprechenden ersten UND-Gliedern UG
eingezeichnet.
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Die weiteren notwendigen Beitungsverbindungen zwischen den Ausgängen
der bistabilen Kippstufe A bis E mit den Eingängen der ersten UND-Glieder UG1 sind
durch die entsprechenden Bezugazeichen a bis e bzw. a' bis e' an den EingängenXder
erst'en UND-Glieder UTG1 angedeutet. Daraus ist als Schema zu erkennen, daß jeweils
die gleichartigen Ausgänge zweier von drei aufeinanderfolgenden bistabilen Kippstufen
an die beiden Eingänge eines der ersten UND-Glieder UG1 geführt sind. Der Ausgang
jedes dieser UND-Glieder UG1 ist mit jeweils einem Eingang eines von zwei ODER-Gliedern
OG verbunden. Diese ODER-Glieder sind mit invertierten Eingängen dargestellt, so
daß die Verknüpfung der ersten UND-Glieder mit NAND-Funktion mit diesen ODER-Gliedern
dieselbe logische Funktion verwirklicht wie die Verknüpfung von reinen UND-Gliedern
mit normalen ODER-Gliedern. Aus Fig. 5 ist zu erkennen, daß durch die Verbindung
der einen Hälfte der ersten UIm-Glieder UG1 mit jeweils einem der beiden ODER-Glieder
OG zwei Teilschaltungen entstehen, die die Signalzustände an den geraden oder den
inversen Ausgängen a bis e bzw. a' bis e1 der bistabilen Kippstufen A bis E auswerten.
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In jeder so entstandenen Teilschaltung ist der Ausgang des ODER-Gliedes
OG mit einem der beiden Eingänge eines von zwei weiteren UND-Gliedern UG2 verbunden,
das ebenso wie die ersten UNTD-Glieder UG1 eine NAND-Funktion besitzt und über jeweils
einen zweiten Inverter I2 mit einem der beiden Eingänge einer weiteren bistabilen
Kippstufe S verbunden ist. Diese weitere bistabile Kippstufe S ist durch den Systemtakt
ii auslösbar und besitzt - wie üblich - zwei zueinander inverse Ausgänge SS bzw.
SS, von denen ersterer den eigentlichen Busgang der Schaltungsanordnung bildet.
Einer der beiden Ausgang SS bzw.
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SS ist jeweils mit dem zweiten Eingang eines der beiden zweiten UND-Glieder
UG2 verbunden. Dies ist in der Darstellung der Fig. 3 ebenfalls nur durch die Bezeichnung
des zweiten Einganges dieser beidenU17i;-Glieder UG2 mit SS bzw. SS angedeutet.
Dabei ist die Verbindung derart gewählt, daß der Querausgang SS der vom Systemtakt
T1 auslösbaren bistabilen Kippstufe S an dasjenige der zweiten UND-Glieder UG2 angeschlossen
ist, das der Deilschaltung zugeordnet ist, die die Signalzustände an den geraden
Ausgängen a bis e der bistabilen Kippstufen A bis E auswertet. Der gerade Ausgang
SS der vom System takt T1 auslösbaren bistabilen Kippstufe S ist in entsprechender
Weise mit dem zweiten Eingang des anderen der zweiten UND-Glieder UG2 verbunden.
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Die Wirkungsweise dieser in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung
zum Synchronisieren asynchroner Signale wird im folgenden kurz erläutert: Die am
Eingang der Schaltungsanordnung ankommenden asynchronen Signale AS werden den beiden
Eingängen der ersten bistabilen Kippstufe A mit zueinander inversem Signalzustand
zugeführt und mit dem Hilfstakt T2 in die Kette 'der bistabilen Kippstufen A bis
E übernommen. Eines der beiden ODER-Glieder OG schaltet immer dann durch, wenn für
eines der angeschlossenen ersten UND-Glieder UG1 die Koinzidenzbedingung erfüllt
ist. Dies ist immer dann der Fall wenn auch nur zwei von jeweils drei aufeinanderfolgenden
Kippatufen der Kette im
gleichen Zustand liegen. Der positive Signalzustand
der ODER-Glieder OG wird auf den zugeordneten Eingang dc vom Systemtakt T1 auslösbaren
bistabilen Kippstufe S durchgeschaltet, wenn für das zugeordnete zweite UND-Glied
UG2 ebenfalls die toinzidenzbedingung erfüllt ist. Dies ist aber nur dann der Fall,
wenn während einer Periode des Systemtaktes mil mindestens bei zwei Hilfatakten
T2 vom asynchronen Signal AS der zu dem gegenwartigen Betriebazustand der vom Systemtakt
T auslösbaren we 1 teren bistabilen Kippstufe S inverse Signalzustand eingenommen
wird.
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Was dies bedeutet, wird anhand der Fig. 4 bis 6 ifll folgenden an
ausgewählten Beispielen erläuert. In diesen Figuren ist jeweils in der ersten Zeile
die Impulsfolge des Systemtaktes T1 und in der zweiten Zeile die Impulsfolge des
Hilfstaktes T2 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, daß de- Hilfstakt T2 gegenüber
dem Systemtakt II die dreifache Impulsfolgefrequenz aufweist. In der dritten Zeile
der Fig. 4 bis 5 sind jeweils bestimmte ausgeJählte Impulsfolgen asynchroner Signale
AS dargestellt, die die beschriebene Schaltungsanordnung zu. den in der vierten
Zeile dargestellten synchronisierten Signalimpulafolgen SS verarbeitet. In Fig.
4 werden die ersten drei positiven Signalzustände der asynchronen Signale AS unterdrückt,
da ihre Impulsbreite nicht länger ist als eine Periode des Hilfataktes T2, so daß
für keines der ersten UND-Glieder UG1 gemäß Fig. 3 die Koinzidenzbedingung erfüllt
sein kann. Anders ist dies für den vierten positiven Signalzustand der asynchronen
Signale AS in Fig. 4, der länger als eie Periode des Hilfataktes T2 andauert, so
daß einmal die Koinzidenzbedingung für eines der ersten UND-GlIeder UG1 erfüllt
sein muß, zum anderen aber auch die Koinzidenzbedingung für eines der beiden zweiten
UND-Glieder UG2 erfüllt ist, da das asynchrone Signal AS gegenüber dem synchronisierten
Signal SS den inversen Signalzustand einnimmt.
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Dadurch wird die vom Systemtakt T1 auslösbare Kippstufe S vorbereitet
und mit dem nächsten Systemtakt T1 gekippt. Im Vergleich
zu diesem
Beispiel zeigt das letzte Beispiel für ein asynchrone ne Eingangssignal AS in Fig.
4 die Auswirkung der Phasenlage dieses Signales in bezug auf den Systemtakt 11.
In diesem Fall ist der Phasenwinkel zwischen dem auslösenden asynchronen Signal
AS und dem daraus resultierenden synchronisierten Signal SS wesentlich größer, da
das asynchrone Signal AS gegenüber dem synchronisierten Signal SS - bedingt durch
den logischen Aufbau der Schaltungsanordnung - vor dem Eintreffen des Systemtaktes
lil mindestens während zwei Hilfstakten T2 den inversen Signalzustand einnehmen
muß. Dieses Beispiel zeigt weiterhin deutlich, wofür die Sdhiebekette der bistabilen
Kippstufen A bis B notwenig ist. Würde nämlich das asynchrone Singangssignal nicht
in dieser Weise gepuffert, dann wäre die vom Systemtakt T1 aus lösbare Kippstufe
S beim Eintreffen des entsprechenden Taktimpulses nicht mehr vorbereitet und damit
würde dieses asynchrone Signal AS verschluckt.
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In Fig. 5 sind in entsprechender Weise drei weitere Beispiele für
Impulafolgen asynchroner Signale AS dargestellt, deren positiver Signalzustand während
drei aufeinanderfolgengenden Hilfstakten T2 aufrechterhalten ist. Der Phasenwinkel
zwischen dem asynchronen Signal S und dem synchronisierten Signal SS hängt nun von
der Phasenlage des asynchronen Signales AS in bezug auf das vom Systemtakt T1 vorgegebene
Raster ab. In jedem Falle wird von dem Systemtakt i erst dann in synchronisiertes
Signal SS mit positivem Signalzustand ausgelöst, wenn vorher bereits ein asynchrones
Signal AS während zwei Hilfatakten T2 aufgetrew ten ist.
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Entsprechende Beispiele für Unterbrechungen des positiven Signalzustandes
in der Implllsfolge der asynchronen Signale AS sind in Fig. 6 dargestellt. Hier
gilt analog das für den positiven Signalwechsel erläuterte Verhalten der Schaltungsanordnung.
Unterbrechungen des positiven Signalzustandes mit einer Impulabreite, die
geringer
sind als zwei Perioden des Hilfstaktes T,2, werden von der Schaltungsanordnung nicht
ausgewertet. Erst solche Unterbrechungen, die während mindestens zwei aufeinanderfolgenden
Hilfstakten aufrechterhalten bleiben, wirken sich auf die Impulafolge der synchronisierten
Signale SS aus. Für die Phasenbeziehung der Zustandswechsel der asynchronen Signale
AS' zu denen der synchronisierten Signale SS gilt wiederum das beziiglicii der Fig.
4 und 5 Gesagte. Die gleichartige Behandlung von Zustandswechselns der asynchronen
Signale AS in den positiven bzw. negativen Signalzustand sind durch den identischen
Aufbau der beiden Teilachaltungen beding; die den geraden bzw, ungeraden Ausgängen
a bis e bzw. a bis e der durch den ilfstakt T2 auslösbanz.KippstuSen A bis E zugeordnet
sind.
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Die in den beschriebenen Ausfahrungsbeispielen erläuterte technische
Lehre ist.auf verschiedene Anwendungsfälle in beliebiger Weise anzuwenden. Dabei
bedeutet die Festlegung der 4're^uenz des Hilfataktes auf einen gegenüber dem Systemtakt
dreifacllen Wert keine Beschränkung und ist nur beispielhaft zu verstehen.
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Ebenso lassen sich die geschilderten logischen Funktionen, wie allgemein
bekannt, auch durch die entsprechende Verknüpfung anderer logischer Bausteine verwirklichen,
wie dies zum Beispiel auch schon in der Beschreibung des Ausführungsbeispieles angedeutet
wurde.
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2 Patentansprüche 6 Figuren