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Verfahren und Einrichtung zur Messung der
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Frequenz einer Impulsfolge Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung
eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Einrichtungen der hier interessierenden Art werden häufig als "Ratemeter"
bezeichnet, wenn sie für die Messung der momentanen Frequenz (also der Anzahl der
während einer bestimmten Zeiteinheit auftretenden Impulse) einer Folge mehr oder
weniger unregelmäßig auftretenden Impulse bestimmt und geeignet sind.
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Einrichtungen zur Messung der Frequenz einer oder mehr oder weniger
regellosen Impulsfolge sollen schnell ansprechen (also kurze Integrationszeiten
aufweisen), möglichst unempfindlich gegen eine periodische Modulation der Impulsefolge
sein und ein digitales Ausgangssignal liefern, das von einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage
direkt weiterverarbeitet werden kann.
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Es sind sowohl digital arbeitende als auch analog arbeitende Einrichtungen
zur Messung der Frequenz einer Impulsfolge bekannt. Analog arbeitende Einrichtungen
sind zur Datenerfassung für elektronische Datenverabeitungsanlagen (EDV) nicht gut
geeignet und außerdem tritt bei kurzen Integrationszeiten im analogen Ausgangssignal
eine sägezahnförmige Restwelligkeit auf.
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Die bekannten digitalen Einrichtungen zur Messung der Frequenz einer
Impulsefolge enthalten gewöhnlich einen Zähler, der die Anzahl der Eingangsimpulse
zählt, die während eines festen Zeitintervalles auftreten. Solche Einrichtungen
sind nur dann brauchbar, wenn die Impulsfolge rein statistisch ist. Wenn jedoch
die Impulsfolge periodische Komponenten enthält, treten Schwebungen mit allen höheren
Oberwellen des Zeittaktes und der Zählfrequenz auf, was die Messungen erheblich
verfälschen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver-.
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fahren und eine Einrichtung zur Messung der Frequenz einer Impulsfolge
anzugeben, die unempfindlich gegen periodische Komponenten in der Impulsfolge sind,
schnell ansprechen, also eine kurze Integrationszeit haben, und ein für die elektronische
Datenverarbeitung geeignetes Ausgangssignal liefern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete
Verfahren und die im Patentanspruch 4 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.
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Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung sprechen sehr
schnell an, sie sind unempfindlich gegen periodische Komponenten (Modulationen)
der Impulsfolge und liefern ein digitales Ausgangssignal, das einer EDV direkt zugeführt
werden kann.
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Das Verfahren und die Einrichtung können ferner leicht so ausgestaltet
werden, daß das digitale Ausgangssignal eine
lineare Funktion, eine
logarithmische Funktion oder irgendeine andere Funktion der Frequenz (Rate) der
Eingangsimpulsfolge ist.
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Im folgenden wird der Erfindungsgedanke anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Einrichtung, die ein digitales Ausgangssignal liefert, das eine lineare Funktion
der Frequenz einer Eingangsimpulsfolge, also dieser Frequenz direktproportional
ist; Figur 2 und 3 Schaltbilder von Ausführungsformen der Erfindung, die ein digitales
Ausgangssignal liefern, welches eine nichtlineare Funktion der Frequenz einer Eingangsimpulsfolge
ist; und Figur 4 ein Schaltbild eines logischen Eingangsschaltwerks, das in den
Einrichtungen gemäß Fig. 1 bis 3 verwendet werden kann.
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Die in Figur 1 dargestellte Einrichtung 10 enthält ein Eingangsschaltwerk
12 mit einem Signaleingang 14, dem eine Impulsfolge zuführbar ist, deren Frequenz
oder Rate zu messen ist. Ferner enthält die Eingangsschaltlogik 12 einen Oberlaufimpulseingang
16, einen Zählsignalausgang 18 und einen Zähirichtungssignalausgang 20,an dem je
nach dem Betriebszustand des Eingangsschaltwerks ein Vorwärtszähisignal oder ein
Rückwärtszählsignal liegen.
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Der Zählsignalausgang 18 ist mit einem Zählsignaleingang 22 eines
Vorwärts-Rückwärts-Zähle,s 24 verbunden. Der Zählrichtungssignalausgang 20 ist mit
einem Zählrichtungssignaleingang 26 des Zählers 24 verbunden. Der Zähler 24 hat
n Stellen und wird im allgemeinen wie auch die anderen impulsverarbeitenden Schaltungen
der Einrichtung binär arbeiten.
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Der Zähler 24 hat einen Zählwertausgang 28, an dem ein digitales Signal
liegt, welches die jeweils im Zähler enthaltene Zahl (Zählwert) darstellt. Der Zählwertausgang
28 ist mit einem Zählwerteingang 30 eines Addierwerkes 32 gekoppelt, das zwei Summandenregister
34 und 36 sowie einen (n+l)-stelligen Addierer 38 enthält. Die Summandenregister
weisen jeweils einen Summandeneingang 34a bzw. 36a, einen Takteingang 34b bzw.36b
sowie einen Summandenausgang 34c bzw. 36c auf. Die Takteingänge 34b und 36b sind
mit dem Ausgang eines Taktimpulsgenerators 40 gekoppelt, der eine Taktimpulsfolge
mit einer Frequenz fR liefert, die vorzugsweise umschaltbar ist, um den Messbereich
der Einrichtung verändern zu können, wie noch erläutert werden wird.
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Der Zählwertausgang 28 ist mit dem Eingang 34a des Summandenregisters
34 verbunden. Der Ausgang 34c des Summandenregisters 34 ist mit einem ersten Summandeneingang
38a des Addierers 38 verbunden. Der Addierer 38 hat n+l Stellen und einen Summenausgang
38c, der mit dem Signaleingang 36a des Summandenregisters 36 verbunden ist. Der
Ausgang 36c des Summandenregisters ist mit einem zweiten Summandeneingang 38b des
Addierers 38 verbunden. Das Summandenregister 36 hat außerdem einen Oberlaufausgang
36d, an dem ein Oberlaufimpuls auftritt, wenn die Binärzahl im Summandenregister
36 größer als 2 (oder allgemeiner größer als n Stellen) wird.
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Der Ausgang 34c ist mit einem Signal ausgang 42 der Einrichtung 10
gekoppelt, an dem ein digitales Ausgangssignal liegt, welches die momentane Frequenz
der Impulsfolge darstellt.
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Der Zählwertausgang 28 kann mit einem Digital/Analog-Umsetzer 44 gekoppelt
sein, an dessen Ausgang 46 ein analoges Ausgangssignal zur Verfügung steht, das
die Impulsfolgefrequenz darstellt.
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In die Verbindung zwischen dem Oberlaufimpulsausgang 36d des Summandenregisters
36 und dem Oberlaufimpulseingang 16 des Eingangsschaltwerks 12 ist vorzugsweise
eine Impulsformungsschaltung, z.B. ein Univibrator 48 geschaltet.
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Die Einrichtung gemäß Figur 1 arbeitet folgendermaßen: Es. sei angenommen,
daß der Zähler 24 sowie die Register 34, 36 auf Null stehen und daß am Zählrichtungssignalausgang
20 ein Vorwärtszählsignal liegt.
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Die Impulsfolge, deren Frequenz (Anzahl der Impulse pro Sekunde) bestimmt
werden soll, wird dem Signaleingang 14 des Eingangsschaltwerks 12 zugeführt und
durch diese an den Zählsignaleingang 22 des n-stelligen Zählers 24 weitergeleitet.
Der Zähler beginnt nun die eintreffenden Signal impulse in Vorwärtsrichtung zu zählen.
Der jeweils erreichte Zählwert steht am Zählwertausgang 28 und damit am Summandeneingang
34a des Summandenregisters 34 zur Verfügung. Das Addierwerk 32 wird durch die Taktimpulse
vom Taktimpulsgenerator 40 mit der Frequenz zur getaktet. Bei jedem Taktimpuls addiert
der Addierer 38 die im Summandenregister 34 stehende Zahl zu der im Summandenregister
36 stehendenZahl und das Ergebnis, also die Summe, wird als neuer zweiter Summand
im Summandenregister 36 gespeichert. Der Addierer 38 addiert also bei jedem Takt
den
im Taktzeitpunkt t am Ausgang 28 liegenden Zählwert zu der
im Summandenregister 36 gespeicherten Summe der Zählwerte, die zwischen dem Taktzeitpunkt
0 und dem Taktzeitpunkt t-l aufgetreten waren. Das Summandenregister 36 hat n+l
Stellen. Wenn in der (n+l) -ten Stelle ein Bit auftritt, wird ein Oberlaufimpuls
erzeugt und dem Oberlaufimpulseingang 16 dem Eingangsschaltwerk zugeführt. Dieses
schaltet dann das Zählrichtungssignal am Ausgang 20 auf "Rückwärtszählen und stellt
eine Verbindung zwischen dem Oberlaufimpulseingang 16 und dem Zählsignalausgang
18 her. Die Oberlaufimpulse werden also vom Zähler 24 in Rückwärtsrichtung gezählt.
Wie sich leicht erkennen läßt, ist im eingeschwungenen Zustand der Einrichtung 10
die Frequenz fp der dem Signaleingang 14 zugeführten Impulsfolge gleich der Frequenz
fO der vom Addierer erzeugten Oberlaufimpulse und die im Zähler 24 stehende Zahl
Z (t) äquivalent der Frequenz der Eingangsimpulsfolge. Die die Ausgangsgröße am
Signalausgang 42 darstellende Zahl Z (t) folgt der Beziehung:
wobei bedeuten: fp = momentane Impulsfolgefrequenz (Impulse pro Sekunde) fR = Taktimpulsfrequenz
n Anzahl der Binärstellen des Zählers 24 t = Zeit in Sekunden.
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Für t + X = Z (ovo) = (2n - 1) fp/fR (2)
Die beschriebene
Einrichtung arbeitet linear. Der Proportionalitätsfaktor, der die Beziehung zwischen
Z (t) und fp herstellt, wird bestimmt durch die für die Digitalisierung zur Verfügung
stehende Stellenzahl n und die Taktimpulsfrequenz fR. Der Messbereich läßt sich
durch Andern einer oder beider dieser Größen variieren.
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Die höchste messbare Eingangsimpulsfrequenz ist gleich der Taktimpulsfrequenz.
Die niedrigste Eingangsimpulsfrequenz, die gemessen werden kann, ist umgekehrt proportional
der Anzahl der Stellen des Addierwerks.
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Typische Taktfrequenzen fR sind 102 2bis 106Hz.
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Die Einrichtung 10 gemäß Figur 1 liefert ein digitales Ausgangssignal,
das die Eingangsimpulsfrequenz kontinuierlich anzeigt und mit der Taktfrequenz jeweils
auf den neuesten Stand gebracht wird. Bei der Messung treten keine Totzeiten auf,
die Zeitabhängigkeit der Messung (entsprechend der Integrationszeitkonstante eines
analogen Frequenzmeßgerätes) ist definiert.
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In Figur 2 ist das Blockschaltbild einer Ausführungsform der Frequenzmeßeinrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt, bei dem ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen
der Eingangsimpulsfrequenz und dem digitalen Ausgangssignal besteht.Bauteile gleicher
oder entsprechenden Funktion sind in Figur 1, 2 und 3 mit den gleichen Bezugszahlen
bezeichnet,zur Unterscheidung sind jedoch den Bezugszahlen in Figur 2 ein Strich
und denen in Figur 3 zwei Striche angefügt.
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Die Einrichtung gemäß Figur 2 braucht nur insoweit beschrieben werden,
als es sich von der gemäß Figur 1 unterscheidet.
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Der wesentlichste Unterschied zwischen den Einrichtungen
gemäß
Figur 1 und 2 besteht darin, daß bei der Einrichtung gemäß Figur 2 nicht mit einer
zwar einstellbaren, aber während einer Messung festen Taktfrequenz, sondern mit
einer von der Eingangsimpulsfrequenz abhängigen Taktfrequenz gearbeitet wird.
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Die Einrichtung gemäß Figur 2 enthält zu diesem Zweck einen Taktimpulsgenerator
40', dessen Ausgangsimpulsfrequenz fa durch ein Signal an einem Frequenzsteuereingang
40-a steuerbar ist. Der Taktimpulsgenerator 40' kann z.B. einen spannungsgesteuerten
Oszillator enthalten, auch hier kann zusätzlich eine Bereihsumschaltung vorgesehen
sein, also eine Umschaltung des Frequenzbereiches, in dem die Taktimpulsfrequenz
durch ein Signal am Frequenzsteuereingang 40' a steuerbar ist.
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Bei der Einrichtung gemäß Fig. 2 gehört der Digital/Analog-Umsetzer
44' > dessen Eingang mit dem Zählwertsignalausgang 28' des n-stelligen Zählers
24' verbunden ist zu der Schaltungsanordnung/diediegewünschte nichtlineare Beziehung
zwischen der Eingangsimpulsfrequenz und dem digitalen Ausgangssignal herstellt.
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Der Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 44' ist mit dem Eingang einer
Funktionseinheit 50' gekoppelt. Die Funktionseinheit 50' ist eine Schaltungsanordnung,
die das ihrem Eingang zugeführte analoge Signal, das der Eingangsimpulsfrequenz
fp proportional ist, in ein Augangssignal umsetzt, das bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine logarithmische Funktion des Eingangssignals ist. Schaltunganordnungn, die ein
lineares Eingangssignal in ein logarithmisches Ausgangssignal umsetzen, sind bekannt.
Das Ausgangssignal der Funktionseinheit 50' wird dem Frequenzsteuereingang 40'a
des Taktimpulsgenerators 40' zugeführt. Bei logarithmischer Obertragungsfunktion
der Funktionseinheit 50' ergibt sich eine logarithmische Abhängigkeit des digitalen
Ausgangssignals am Signalausgang 42' von der Frequenz f' der Eingangsimpulsfolge.
Die Einrichtung p gemäß Figur 2 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Meßzeitkonstante
über den ganzen Bereich gleich bleibt.
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Wenn die Funktionseinheit die Obertragungsfunktion 1 hat, also wenn
der Ausgang des Digital/Analog-Umsetzers 44\direkt mit dem Frequenzsteuereingang
40a des Taktimpulsgenerators 40' gekoppelt ist, wie durch eine gestrichelte Linie
angedeutet ist, entspricht die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Eingangssignalfrequenz
einer Wurzelfunktion.
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Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine nichtlineare
Abhängigkeit des Ausgangssignal von der Eingangsimpulsfrequenz nicht wie bei Figur
2 durch analog arbeitende Schaltungen 44' und 50', sondern durch eine digital arbeitende
Funktionseinheit 50" bewirkt wird. Die Funktionseinheit 50" ist zwischen den Zähisignalausgang
28" des Zählers 24¢ und den Summandeneingang 34" des Summandenregisters 34" im Addierwerk
32" geschaltet. Der Taktimpulsgenerator 40' arbeitet mit einer festen Frequenz f"
(die vorzugsweise zur p Bereichsumschaltung umschaltbar ist).
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Die Funktionseinheit 50"arbeitet digital und stellt den gewünschten
funktionellen Zusammenhang zwischen der Eingangsimpulsfrequenz und der Größe des
Ausgangssignals her, das am digitalen Signalausgang 42" auftritt, der mit dem Zählsignalausgang
28" verbunden ist. Ein analoges Ausgangssignal steht am Ausgang 46" des Digital/Analog-Umwandlers
44" zur Verfügung, der wie bei Figur 1 ge6chaltet ist.
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Die Funktionseinheit 50"kann z.B. eine quadratische Obertragungsfunktion
haben und dann einfach einen Multiplizierer enthalten, dessen beiden Eingängen der
Zählwert vom Ausgang 28 zugeführt ist.Die Funktionseinheit 50" kann auch eine andere
Obertragungsfunktion haben, z.B.eine logarithmische Obertragungsfunktion, die z.B.
mit Hilfe eines Tabellenspeichers realisiert werden kann.
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Fig. 4 zeigt beispielsweise eine Schaltungsanordnung, die als Eingangsschaltwerk
12 verwendet werden kann.
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Der Signaleingang 14 und der Oberlaufimpulseingang 16 sind jeweils
an ein Monoflop 60 bzw. 62 angeschlossen, die zur Impulsformung dienen. Der Ausgang
des Monoflops 60 ist mit einem Impulseingang 64 eines Impulssynchronisierers 66,
mit einem ersten Impulseingang 66 eines Flipflops 68 sowie mit einem Eingang eines
ODER-Gliedes 70 verbunden. Der Ausgang des Monoflops 62 ist mit einem Impulseingang
72 eines Impulssynchronisierers 74, mit einem zweiten Impulseingang 76 des Flipflops
68 und mit einem zweiten Eingang des ODER-Gliedes 70 verbunden. Der Ausgang des
ODER-Gliedes ist mit einem Takteingang 78 des Flipflops 68 verbunden. Das Flipflop
68 hat zwei Ausgänge 80 und 82, in denen komplementäre Ausgangssignale auftreten.
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Der Ausgang 80 ist mit einem Vorbereitungseingang 84 des Impulssynchronisierers
74 verbunden, während der Ausgang 82 mit einem Vorbereitungseingang 86 des Impulssynchronisierers
66 verbunden ist. Die Ausgänge der Impulssynchronisierer sind über ein UND-Glied
88 mit dem Ausgang 18 des Eingangsschaltwerkes verbunden. Der Ausgang 82 des Flipflops
68 ist ferner mit dem Zählrichtunssignalausgang 20 des Eingangsschaltwerks 12 verbunden.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig.
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4 läßt sich mit handelsüblichen integrierten Schaltungen realisieren;
die Typenbezeichnungen geeigneter Schaltungen sind in Fig. 4 beispielsweise angegeben.
Das Flipflop 68 ist ein sogenanntes Skew-Flipflop, das keine Vorbereitungszeit benötigt,
also auch dann umschaltet, wenn der Impuls am Vorbereitungs- oder Tasteingang 78
und am Signaleingang 66 bzw. 76 gleichzeitig eintreffen.
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Das Eingangsschaltwerk 12 gemäß Fig. 4 arbeitet folgendermaßen: Es
sei angenommen, daß das Flipflop 68 sich im zurückgesetzten Zustand befindet, worunter
der Zustand verstanden werden soll, der durch einen Impuls am Impulseingang 76 eingestellt
wird und bei dem am Ausgang 80 ein Signal entsprechend
einer logischen
Eins, am Ausgang 82 dagegen ein Signal entsprechend einer logischen Null liegen.
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Wenn über die Leitung 14 ein Impuls der Impulsfolge eintrifft, deren
Rate oder Frequenz zu bestimmen ist, wird dieser Impuls durch den Monovibrator 60
geformt und von dessen Ausgang dem Signaleingang 64 des Impulssynchronisierers,
dem Impulseingang 66 des Flipflops und über das ODER-Glied 70 dem Tasteingang 78
des Flipflops 68 zugeführt. Der Impulssynchronisierer läßt diesen Impuls nicht durch,
da am Vorbereitungseingang 86 eine Null liegt. Der an den Eingängen 66 und 78 des
Flipflops 68 praktisch gleichzeitig auftretende Impuls schaltet jedoch das Flipflop
68 in den gesetzten Zustand um, in dem am Ausgang 80 eine Null und am Ausgang 82
eine Eins liegen. Die Eins am Ausgang 82 stellt gleichzeitig das Signal "Vorwärts
Zählen" dar.
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Der nächste Impuls, der am Signaleingang 14 des Eingangsschaltwerks
12 eintrifft, kann nun den Impulssynchronisierer 64 durchlaufen, da an dessen Vorbereitungseingang
86 eine Eins liegt. Das UND-Glied 88 ist mit Komplement-Ausgängen der Impulssynchronisierer
66 und 74 verbunden, die jeweils von 1 auf 0 umschalten, wenn der betreffende Impulssynchronisierer
einen Impuls durchläßt. An den Eingängen und am Ausgang des UND-Gliedes 88 liegt
daher im Ruhezustand der Impulssynchronisierer jeweils eine Eins und am Ausgang
18 tritt nur dann eine Null auf, wenn einer der Impulssynchronisierer einen Impuls
zum UND-Glied 88 durchläßt, da der Komplement-Ausgang des Impulssynchronisierers
beim Durchlassen eines Impulses auf 0 geschaltet. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler
24 zählt diese Null-Impulse.
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Der erste Impuls, der am Signaleingana 14 eingetroffen ist, setzt
also das Flipflop 68, wird jedoch nicht zum Zähler 24, 24' bzw. 24" durchgelassen.
Der nächste Impuls, der am Signaleingang 14 eintrifft, kann den vorbereiteten Impulssynchronisierer
66 zum UND-Glied 88 durchlaufen, so daß dieser Impuls vom Vorwärts-Rückwärts-Zähler
in Vorwärtsrichtung
gezählt wird.
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Die Impulse der Impulsfolge werden so lange in Vorwärtsrichtung gezählt,
bis das AdtiSerwerk 32, 32' bzw. 32" einen Oberlaufimpuls erzeugt, der nach Formung
durch den Monovibrator 62 dem Impulseingang 72 des Impulssynchronisierers 74, dem
Impulseingang (Rücksetzeingang) 76 des Flipflops 68 und dem Takteingang 78 des Flipflops
68 zugeführt wird. Der Impuls kann den Impulssynchronisierer 74 nicht durchlaufen,
da am Ausgang 80 des Flipflops 68, das ja noch gesetzt ist, eine Null liegt. Das
Auftreten des Impulses an den Eingängen 76 und 78 des Flipflops 68 setzt dieses
jedoch zurück, so daß nun der Impulssynchronisierer 66 gesperrt und der Impulssynchronisierer
74 durchlaßbereit ist. Am Ausgang 82 liegt nun eine binäre Null, die den Zähler
auf "Rückwärts Zählen" schaltet.
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Tritt als nächstes nun wieder ein Oberlaufimpuls ein, so durchläuft
dieser den Impulssynchronisierer 74 und das UND-Glied 88 zum Zähler, wo er in Rückwärtsrichtung
gezählt wird, also den Zählwert um eine Einheit verringert. Der Zähler zählt also
bei jedem Takt um eine Einheit zurück, solange kein neuer Impuls am Signaleingang
14 auftritt.
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Tritt wieder ein Impuls am Signaleingang 14 auf, so laufen die eingangs
beschriebenen Vorgänge wieder ab, das Flipflop 68 wird gesetzt, der betreffende
Impuls wird jedoch nicht an den Zähler weitergegeben. Wenn sich die Impulse an den
Eingängen 14 und 16 abwechseln, bleibt der Zählerstand unverändert. Bei konstanter
Folgefrequenz der Impulse am Eingang 14 ist diese Frequenz im eingeschwungenen Zustand
der Einrichtung gleich der Frequenz der Oberlauf impulse am Oberlaufeingang und
die im Zähler stehende Zahl ist der Wiederholungsfrequenz der Eingangsimpulse proportional.