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Stochastischer Impulszähler Die Erfindung betrifft einen stochastischen
Impulszähler zur Erzeugung einer pseudostatistischen Zahlenfolge.
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Sollen Impuls folgen gezählt werden, dann eignen sich je nach der
Art der Weiterverarbeitung der Summensignale verschiedene Ausführungsformen- von
Zählern. So erhält man beispielsweise bei einem dezimalen Zähler das Ausgangssignal
im Zehnersystem, und bei einem dualen Zähler im entsprechenden Zweiersystem.
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Es läßt sich eine Vielfalt solcher Systeme je nach vertretbarem Aufwand
realisieren. Das jeweilige Zählsystem ist dabei ohne Belang, wenn nur die nachfolgende
Stufe den varwendeten Kode richtig zu deuten vermag.
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Für viele Anwendungsfälle wird sowohl eine Vorwärts zählung als auch
eine Rückwärtszählung benötigt. Dies bedeutet, daß der Vor- und Rückwärts zähler
beim Rückwärts zählen die gleiche, Zahlenfolge durchläuft, jedoch in entgegengesetzter
Richtung.
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Auch hier spielt der verwendete Kode für das nachfolgende Auswertungs-System
keine Rolle, sofern die Zuordnungen von vorherein vereinbart sind, Die Aufgabe der
Erfindung ist es nun, einen Impulszähler mit einfachem und damit preisgünstigem
Aufbau zu schaffen, der bei wechselnder Beschaltung in beiden Z.hlerichtungen zählt.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß n D-Flipflops in Reihe geschaltet
sind, deren Takteingangcn die Zählfrequenz zuführbar ist, die nicht invertierenden
Ausgänge der ersten n - 1 D-Flipflops jeweils mit dem D-Eingang des nächstfolgenden
D-Flipflops verbunden sind, sowie wenigstens zwei Ausgänge über ein Koppelglied
auf den D-Eingang des ersten D-Flipflops schaltbar sind, und daß zur Erzeugung der
inversen Zahlenfolge die nicht invertierenden Ausgänge der letzten n - 1 D-Flipflops
jeweils auf den D-Eingang des vorangehenden D-Flipflops geschaltet sind und wenigstens
zwei Ausgänge von D-Flipflops über ein Koppelglied auf den D-Eingang des n-ten D-Flipflops
geführt sind.
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Als einzelne Zähler sind diese Schaltungen schon bekannt, z.B.
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als Untersetzer. Wichtig ist, daß man nun durch das Vor-Rückwärtszählen
auch damit rechnen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können als Koppelglieder sowohl
Auqivalenzgatter, als auch Antivalenzgatter verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt einen stochastischen
Impulszähler dar und erzeugt eine pseudostatist sche
Impulsfolge.
Der Ausdruck pseudostatistisch steht hier für eine Zufallsfolge oder stochastiscnen
Folge. Ihre parallele Verarbeitung gibt einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der
zugeführten Impulse und dem Ausgangswert in Form einer Zahl.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Anwendungsbeispiel
sind in einer Zeichnung dargestellt und werden im folgenden beschrieben und näher
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen stochastischen Impulszähler mit definierter Vorwärts
zählrichtung.
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Fig. 2 ein stochastischer Impulszähler für eine definierte Rückwärts
zählrichtung, Fig. 3 ein stochastischer Vor-Rückwärts zähler, Fig. 4 eine Zåhlrichtungssteuerung
für den Vor-Rückwärtszähler von Fig. 3 Fig. 5 eine Frequenzvielfacherschaltung unter
Verwendung eines Vor- und Rückwärtszählers nach den Figuren 1 und 2.
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Die Ausdrücke "definierte Vorwärtszählrichtungund "definierte Rückwärts
zählrichtung" stehen hier für eine Vereinbarung, da eine stochastische Zahlenfolge
für eine nachfolgende Stufe weder äuf- und absteigende Werte, noch sonst eine Regelmäßigkeit
aufweist.
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Die Schaltungsanordnung nach Figur 1 zeigt einen stochati schen Impulszähler
mit sechs D-Flipflops 10 bis 15. Diese D-Flipflops 10 bis 15 besitzen Takteingänge
16 bis 21, D-Eingänge 22 bis 27, ferner Preset-Eingänge 28 bis 33 und nichtinvertierende
Ausgänge 34 bis 39. Sämtliche Takteingänge 16 bis 23 der D-Flipflops 10 bis 15 sind
mit einer Leitung 40 verbunden, auf der die Zählimpulse bereitgestellt werden. Ein
Aquivalenzgatter 41 mit zwei Eingängen 42 bis 43 ist mit seinem Ausgang 47 am D-Eingang
22 des ersten D-FlXpflops 10 angeschlossen. Sämtliche nichtinvertierende Ausgänge
34
bis 38 der D-Flipflops 10 bis 14 sind mit dem jeweilig nächstfolgenden D-Eingängen
23 bis 27 der D-Flipflops 11 bis 15 verbunden. Der nichtinvertierende Ausgang 39
des D-Flipflops 15 ist mit dem Eingang 43 des Äquivalenzgatters 41 gekoppelt und
der Ausgang 38 des D-Flipflops 14 mit dem Eingang 42. Mit 44 ist ein Vorgabe-Eingang
des stochastischen Impulszählers bezeichnet, der mit sämtlichen Preset-Eingängen
2-8 bis 33 der D-Flipflops 10 bis 15 in Verbindung steht.
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Den Ausgang des stochastischen Impulszählers bildet eine Sammelleitung
45, deren Teilleitungen 46 bis 51 an den nichtinvertierenden Ausgängen 34 bis 39
der D-Flipflops 10 bis 15 angeschlossen sind.
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Figur 2 zeigt einen stochastischen Impulszähler mit definierter Rückwärtszählrichtung
im Vergleich zum stochastischen Impulszähler von Figur 1. Im Vergleich zu der Figur
1 sind hier die Verknüpfungen zwischen den einzelnen D-Flipflops 10 bis 15 anders
gewählt. Der nichtinvertierende Ausgang 39 des D-Flipflops 15 ist hier auf den D-Eingang
26 des D-Flipflops 14 gekoppelt und diese Rückkopplung wiederholt sich bei jedem
D-Flipflop 14 bis 11. Ein Ausgang 48 eines Äquivalenzgatters 49 ist hier am D-Eingang
27 des D-Flipflops 15 angeschlossen. Ein erster Eingang 50 des Aquivalenzgatters
49 ist mit dem nichtinvertierenden Ausgang 39 des D-Flipflops 15 verbunden und ein
zweiter Ausgang 51 mit dem nichtinvertierenden Ausgang 34 des D-Flipflops 10. Die
übrige Beschaltung ist zu der von Figur 1 identisch und trägt daher die gleichen
Bezugszahlen.
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Zur Erklärung der Schaltungsanordnungen von Figur 1 und Figur 2 sei
angenommen, daß über die Vorgabe-Eingänge 44 kein Signal anliegt und daher zu Beginn
der Inhalt der D-Flipflops 10 bis 15 gleich Null ist. Null bedeutet hier, daß kein
Signal an den jeweiligen nichtinvertierenden Ausgängen 34 bis 39 anliegt im Gegensatz
zum Zustand L beim Vorliegen eines Signals größer als Null an den Ausgängen 34 bis
39.
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Die verwendeten Aquivalenzgatter 41 und 49 geben dann an ihren Ausgängen
44 und 48 ein L-Signal ab, wenn jeweils beide Eingänge 42 und 43 bzw. 50 und 51
dasselbe Potential aufweisen.
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Zu Beginn der Zählung liegt demnach an sämtlichen nichtinvertierenden
Ausgängen 34 bis 39 der D-Flipflops 10 bis 15 ein Nullsignal an.
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Am D-Eingang 22 des D-Flipflops 10 der Figur 1 ergibt sich ein L-Signal
infolge der gleichen Eingangspotentiale des Äquivalenzgatters 41. Es tritt nun erst
dann eine Änderung am Ausgang 47 des Äquivalenzgatters 41 ein, wenn das ursprüngliche
L-Signal am D-Eingang 22 des D-Flipflops 10 nach fünf.Zählschritten der Eingangs
frequenz zum nichtinvertierenden Ausgang 38 des D-Flipflops durchgeschaltet worden
ist. In diesem Moment ergibt sich keine Potentialgleichheit mehr an den beiden Eingängen
42 und 43 des Äquivalenzgatters 41 und das Ausgangssignal des Äquivalenzgatters
41 wird null. Dieser neue Wert der Ausgangsspannung am Ausgang 44 wird nun ebenfalls
entsprechend der äufigkeit der Eingangsimpulse auf der Leitung 40 durch-, bzw. weitergeschaltet.
Bei andauernder Zählung erhält man auf diese Weise eine pseudostatistische Zahlenfolge
in der Sammelleitung 45 mit an einer von der Anzahl der D-Flipflops und den gewählten
Anschlüssen für die Eingänge 42 und 43 des Äquivalenzgatters 41 abhängigen Periode.
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Wurde in der Schaltungsanordnung nach Figur 1 das Ausgangssignal am
Ausgang 47 des Äquivalenzgatters 41 zum D-Eingang 22 des D-Flipflops 10 geführt
und von dort zu den anderen D-Flipflops 11 bis 15 durchgeschoben, so ist im Gegensatz
dazu in der Figur 2 der Ausgang 48 des Äquivalenzgatters 49 auf den D-Eingang 27
des D-Flipflops 15 geschaltet. Bei den nachfolgenden Eingangs impulsen über die
Leitung 40 wird das
Ausgangssignal des D-Flipflops 15 laufend auf
den D-Eingang des jeweils vorangehenden D-Flipflops durchgeschaltet.
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Die inverse Zählung des stochastischen Impulszählers nach der Figur
2 möge das folgende Beispiel veranschaulichen. Greift man das obenstehende Zählbeispiel
erneut auf, ergibt sich im Verlauf der Zählung auf der Sammelleitung 45 der Figur
1 das folgende Bild. Ausgangspunkt sei erneut der Zählerstand null und mit jedem
Taktimpuls auf der Leitung 40 erscheint auf der Sammelleitung 45 von links fortlaufend
ein L-Signal.
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Dies setzt sich solange fort, bis auf der Leitung 50 der Sammelleitung
45 ein L-Signal erscheint. Beim nächsten Zählimpuls folgt dann auf der Leitung 46
ein Nullsignal. Führt man diese Zahl auf der Sammelleitung 45 dem Vorgabe-Eingang
44 der Figur 2 zu, so erhält man durch die Vorrechtstellung der Preset-Eingänge
28 bis 33 der D-Flipflops 10 bis 15 nach einem weiteren Zählimpuls auf der Leitung
40 das folgende Bild auf den nicht invertierenden Ausgängen 34 bis 39. Die Ausgänge
34 bis 38 weisen ein L-Signal auf und der Ausgang 39 ein Nullsignal. Bei diesen
Ausgangswerten der D-Flipflops 10 bis 15 gibt das Äquialenzgatter 49 an seinen Ausgang
48 ein Nüllsignal ab und damit wird dieses Nullsignal mit jedem Zählimpuls auf der
Leitung 40 nach vorne geschoben.
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Der Ausgangswert des Äquivalenzgatters 49 ändert sich erst, wenn
sowohl am nicht invertierenden Ausgang 34 als auch am entsprechenden Ausgang 39
der D-Flipflops 10 und 15 ein Nullsignal anliegt. In diesem Moment ist dann die
Ausgangslage der Spannungswerte von der Schaltungsanordnung nach Figur 1 wiederhergestellt.
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Ein Anwendungsfall für diese vor- und rückwärts zählenden stochastischen
Impulszähler ist in der Figur 3 angegeben.
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Die dargestellte Schaltungsanordnung besitzt eine Impulsleitung 60,
einen Vorwärtszanler 61 mit einem Preset-Eingang 62 und einen Zähleingang 63 sowie
einen Ausgang 64. Dem Ausgang 64 folgt ein Ubernahmegatter 65 mit einem Eingang
66 und
einem Ausgang 67. über ein Register 68 ist der Ausgang 67
des übernahmegatters 65 aut ein zweites übernahmegatter 70 geschaltet. Dieses zweite
übenahmegatter 70 besitzt einen Takteingang 71 und ist über einen Ausgang 72 auf
einen Eingang 75 eines Abwärtszählers 76 gekoppelt. Der Abwärtszähler 76 besitzt
außerdem einen Zähleingang 77 und einen Ausgang 78, der mit einer Dedektorstufe
80 verbunden ist. Ein Ausgang 81 der Dedektorstufe bildet den Ausgang 82 der Schältungsanordnung
und er ist gleichzeitig auf den Takteingang 71 des zweiten Ubernahmegatters 70 zurückgeführt.
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Eine Taktfrequenz ft wird über einen Eingang 85 bereitgestellt, und
an diesen Eingang ist einmal ein Eingang 86 einer Triggerstufe 87 angeschlossen
und zum anderen der Zähleingang 77 des Rückwärtszählers 76. Außerdem liegt zwischen
diesem Eingang 85 und dem Zähleingang 63 eine Untersetzerstufe 92. Schließlich ist
die Zählimpulsleitung 60 noch mit einem zweiten Eingang 88 der Triggerstufe 87 verbunden,
und deren Ausgang 89 führt zum Preset-Eingang 62 des Vorwärts zählers 61.
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Für den Vorwärts zähler 61 des Frequenzvervielfachers nach Figur 3
kann der Vorwärts zähler nach der Figur 1 verwendet werden. In diesem Fall ist die
Leitung 40 mit dem Eingang 63 identisch, die Sammelleitung 45 mit dem Ausgang 64
und der Vorgabe-Eingang 44 mit dem Preset-Eingang 62. In analoger Weise entspricht
die Schaltungsanordnung nach der Figur 2 dem Rückwärtszähler 76 von Figur 3. In
diesem Fall ist der Vorgabe-Eingang'44 mit dem Eingang 75 identisch, die Leitung
40 mit dem Eingang 77 und die Sammelleitung 45 mit dem Ausgang 78.
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Die Frequenzvervielfachung erfolgt nun in der Weise, daß der Vorwärts
zähler 61 während der Dauer zwischen zwei Impulsen auf der Leitung 60 vorwärts zählt,
zu Beginn des zweiten Impulses seinen Endstand auf das Register 68 überträgt und
gleichzeitig über die Triggerstufe 87 den Zählerinhalt im Vorwärtszähler 61 löscht
bzw. zurücksetzt. Die Vorwärts zählung im Vorwärts zähler 61 erfolgt mit unterteilter
Taktfrequenz über
den Zähleingang 63. Während der nächsten Periode
der Impulse auf der Impulsleitung 60 wird der Speicherinhalt im Register 68 laufend
in dem Rückwärts zähler 76 übernommen, und mit der vollen Taktfrequenz zurückgezählt.
Eine Detektorstufe 80 am Ausgang des Rückwärts zählers 76 gibt beim Erreichen eines
bestimmten Zahlenwertes ein Ausgangssignal ab, das gleichzeitig den Inhalt des Registers
68 erneut als Ausgangszählerstand in den Rückwärts zähler 76 einschreibt. Über das
Untersetzungsverhältnis im Untersetzer 92 läßt sich die Zählgeschwindigkeit im Vorwärts
zähler 61 variieren und bei konstanter Rückwärtszählgeschwindigkeit im Rückwärtszähler
76 ist das Untersetzungsverhältnis im Untersetzer 92 ein Maß für die Vervielfachung
der Eingangs frequenz auf der Impulsleitung 60.
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Für dieses Anw'endungsb eis piel eines Vor- und eines Rückwärtszählers
ist es ohne Belang, in welchen Zahlensystem die beiden Zähler arbeiten. Entscheidend
ist hier lediglich die Übertin stimmung der beiden Zahlenfolgen des Vorwärts zählers
61 und des Rückwärtszählers 76. Da die stochastischen Zähler einfach und preisgünstig
in ihrem Aufbau sind, lassen sie sich vorteilhaft einsetzen. Sowohl in der Figur
1 als auch in der Figur 2 wurden als Kopplungsgatter Äquivalenzgatter verwendet.
Eine Verwendung dieser Gatter setzt voraus, daß sämtliche Ausgangswerte an den nicht
invertierenden Ausgängen der D-Flipflops 10 bis 15 nicht den Wert L annehmen dürfen.
Die Verwnedung von Antivalenzgattern stellt eine weitere Möglichkeit dar. Antivalenzgatter
geben dann ein L-Signal an ihrem Ausgang ab, wenn an ihren beiden Eingängen unterschiedliche
Signale anliegen.
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Wie bereits oben erwähnt, ist die stochastische Folge sowohl von der
Anzahl der verwendeten D-Flipflops abhängig, als auch von der Art der Kopplung.
Die Wort länge des Ausgangssignals auf der Sammelleitung 45 ist durch-die Anzahl
der verwendeten D-Flipflops bestimmt und daher meistens gegeben. Die am Ende der
Beschreibung angegebene Tabelle kennzeichnet die Anschlüsse der [quivalenzgatter
41 und 49 für den Vorwärts- und Rückwärtszählvorgang bei verschiedenen Wort längen
n. Für den Anschluß der jeweiligen
Ausgänge 47 und 48 der Aquivalenzgatter
41 und 49 ergibt es aufgrund der Schaltungsanordnung keine Alternativmöglichkeiten.
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Ein umschaltbarer stochastischer Vor-Rückwärts zähler ist in Figur
3 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ergibt sich als Kombination der beiden
in Figur 1 und Figur 2 gezeigten Zähler, da nur die einzelnen Anschlüsse der D-Flipflops
10 bis 15 unterschiedlich sind. Diese D-Flipflops 10 bis 15 sind auch in die Figur
3 übernommen, ebenso die beiden Äquivalenzgatter 41 und 49. Zur Steuerung der Zählrichtung
sind vor alle D-Eingänge 22 bis 27 der D-Flipflops 10 bis 15 Zählrichtungssteuerschaltungen
101 bis 106 geschaltet. Der Einfachheit halber ist hier nur eine Zählrichtungssteue'#schaltung
101 mit allen Anschlüssen bezeichnet, da die übrigen Zählrichtungssteuerschaltungen
102 bis 106 in analoger Weise angeordnet sind.
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Figur 4 zeigt als Beispiel diese Zählrichtungssteuerschaltung 101
mit ihren beiden Eingängen 110 und 111, einen Steuereingang 112 und einem Ausgang
113. Diese Zählrichtungssteuerschaltung 101 besteht aus drei NAND-Gatter 115, 116
und 117, wobei die Ausgänge der beiden NAND-Gatter 115 und 116 mit den beiden Eingängen
des NAND-Gatters 117 gekoppelt sind. Der Ausgang dieses NAND-Gatters 117 bildet
gleichzeitig den Ausgang 113 der Zählrichtungssteuerschaltung 101. Ein Eingang des
NAND-Gatters 115 bildet den Eingang 110 und ein Eingang des NAND-Gatters 116 den
Eingang 111. Die zweiten Eingänge der beiden NAND-Gatter 115 und 116 sind einmal
direkt, und einmal über einen Inverter 119 auf den Steuereingang 112 der Zählrichtungssteuerschaltunt
101 gekoppelt.
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Je nachdem, ob am Steuereingang 112 ein Steuersignal anliegt oder
nicht ist der Eingang 110 oder 111 auf den Ausgang 113 der Zählrichtungssteuerschaltung
101 durchgeschaltet. Bei
einem positiven Signal am Steuereingang
112 wird demnach das Signal am Eingang 111 auf den Ausgang 113 durchgeschaltet und
entsprechend bei einem Null-Signal am Steuereingang 112 das Signal am Eingang 111.
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Da sämtliche Zählrichtungssteuerschaltungen 101 bis 106 den gleichen
Aufbau und die gleiche Wirkungsweise haben, ist mit ihnen eine unterschiedliche
Kopplung zwischen den einzelnen D-Flipflops 10 bis 15 möglich. In gleicher Weise,
wie die Zählrichtungssteuerschaltung 101 mit ihrem Ausgang 113 auf den D-Eingang
22 des D-Flipflops 10 geschaltet ist sind auch die übrigen Zählrichtungssteuerschaltungen
102 bis 106 den jeweiligen D-Eingängen 23 bis 27 vorgeschaltet.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Schaltungsanordnung eines stochastischen
Vor-Rückwärtszählers können die Preset-Eingänge 28 bis 33 der D-Flipflops 10 bis
15 der Figuren 1 und 2 entfallen, da der Endwert eines Zählvorganges gleich den
Ausgangswert für eine neue Zählung bildet. Abgenommen werden die Zahlenwerte des
stochastischen Vor-Rückwärtszälers von Figur 3 befalls an den Ausgängen der einzelnen
D-Flipflops 10 bis 15. Die Steuereingänge der einzelnen Zählrichtungssteuerschaltungen
101 bis 106 sind mit einer Zählrichtungssteuerleitung 120 gekoppelt. Auch hier liegt
ein Null-Signal für die Vorwärtszählrichtung und ein positiyes Signal für die Rückwärtszählrichtung.
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Rückkopplungen für stochastische Impuls zähler Beschaltungen für D(o)
bis D(n-1) Wortlänge n Vorwärtszählen Rückwärts zählen 1 O# X1 O # X1 2 X1#X2 X1#X2
3 X2#X3 X1#X3 4 X3#X4 X1:X4 5 X3#X5 X1#X4 6 X5#X6 X1#X6 7 X4#X7 X1#XS 8 (X3#X5)#(X7#X8)
(X4#X6)#(X1#X8) 9 X5#X9 X1#X6 10 X7#X10 X1#X8 11 X9t#X11 X1#X10