Torschaltungen

Torschaltungen werden eingesetzt, wenn aus einer Impulsfolge eine definierte Impulsgruppe ausgewählt werden soll. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn ermittelt werden soll, wie viele Impulse in einer definierten Zeit auftreten. Praktische Anwendung hierfür sind Zeit- und Frequenzzähler und Meßgeräte, die artverwandt arbeiten, indem sie die eigentliche Meßgröße in eine Frequenz umwandeln (z.B. Kapazitätsmeßgeräte). In vielen Fällen übernimmt heute ein Mikrocontroller die hier beschriebenen Aufgaben, aber ein diskreter Aufbau mit der passenden Schaltkreisfamilie erreicht höhere Taktraten.

1. Einfach angesteuerte Torschaltungen

Dazu zähle ich alle Schaltungen, bei denen der Pegel einer Steuerleitung darüber entscheidet, ob eine Impulsfolge zum Ausgang durchgeschaltet wird oder nicht.

1.1. AND-Gatter

Im einfachsten Fall wird das mit einem Logikgatter realisiert. Das AND-Gatter erzeugt am Ausgang H-Pegel, wenn beide Eingänge H-Pegel führen. Die eintreffenden Impulse werden also passieren können, wenn das steuernde Signal T auf H-Pegel liegt. Das Taktdiagramm zeigt die Signalzusammenhänge:

1.2. NOR-Gatter

Mit einem NOR-Gatter gelangt die Impulsfolge invertiert zum Ausgang, wenn das steuernde Signal T auf L-Pegel liegt. Andernfalls bleibt der Ausgang Y auf L-Pegel. Man kommt leicht zu dem Schluß, daß die Verwendung von Invertern in der Takt-, Steuer- oder Ausgangsleitung die Anpassung der Signalverhältnisse in jeder gewünschten Form ermöglicht.

1.3. AND-Gatter taktsynchronisiert

Die Lösungen, welche ausschließlich mit Gattern auskommen, können die Impulslänge des ersten bzw. letzten Ausgangsimpulses verändern, wenn Takt- und Steuersignal nicht synchronisiert sind. In vielen Fällen wird das nicht stören und im ungünstigsten Fall einen Zählfehler von einem Digit bewirken. Wenn das nicht toleriert werden kann, hilft die folgende Variante weiter, bei der durch ein zusätzliches Flipflop die Impulslänge erhalten bleibt.

Sobald am Eingang T H-Pegel anliegt, kippt das Flipflop mit der nächsten LH-Flanke auf H-Pegel am Ausgang Q und gibt damit das AND-Gatter frei; die Impulsfolge kann passieren. Wechselt T auf L-Pegel, so schaltet die nächste LH-Flanke des Taktes F den Flipflop-Ausgang Q ebenfalls auf L-Pegel. Das AND-Gatter sperrt dadurch - die Impulsfolge endet. Das Flipflop erzeugt - vereinfacht gesagt - an seinem Ausgang ein auf die Frequenz F synchronisiertes Zeitsignal T', welches dann das AND-Gatter freigibt oder sperrt. Das OR-Gatter hat nur eine initialisierende Funktion; beim Einschalten sorgt es für L-Pegel am Ausgang Y, wenn sowohl F als auch T L-Pegel führen.

2. Einzelimpulstore

Die bisher vorgestellten Schaltungen erzeugen bei jedem Steuertakt eine entsprechende Impulsfolge. Das ist jedoch nicht immer sinnvoll. Bei Meßgeräten möchte man zum Beispiel selbst entscheiden, wann der nächste Meßvorgang startet. Dafür gibt es die sogenannten Einzelimpulstore, welche auf ein Startsignal hin (das ist meist der Reset-Impuls) den nächsten Steuerimpuls abwarten und während dessen Dauer die Impulsfrequenz passieren lassen. Danach reagieren sie nicht mehr auf weitere Impulse am T-Eingang. Diese Schaltungen haben also neben dem zeitsteuernden Eingang T noch einen Reseteingang R.

2.1. Einzelimpulstor für t_H

Die dargestellte Schaltung läßt nur während des H-Pegels der Steuerleitung T Impulse passieren. Durch einen kurzen H-Impuls - genauer gesagt mit dessen LH-Flanke - auf der Resetleitung wird das Tor aktiviert. Am Vorbereitungseingang D des zweiten Flipflops liegt danach H-Pegel, welcher mit der nächsten invertierten HL-Flanke des Steuereingangs T nach Q2 durchgeschaltet wird. Damit kann das NAND-Gatter, abhängig vom Zustand des Eingangs T, die Impulsfolge an F durchschalten und gleichzeitig invertieren. Sobald dadurch der Ausgang Y das erste Mal L-Pegel erreicht, wird das erste Flipflop zurückgesetzt und die Torschaltung kann nicht mehr auf weitere Impulse an T reagieren. Hierfür muß erst ein Resetimpuls kommen.

Im Taktdiagramm ist zu erkennen, daß der Ausgang Q2 über die gesamte Periodendauer des Eingangs T H-Pegel hat. Man könnte die Schaltung also durch Trennen der Verbindung vom Eingang T zum mittleren Eingang des NAND-Gatters so modifizieren, daß das Tor über eine komplette Periode und nicht nur über die Zeit des H-Pegels öffnet.

Hinweis: Vor der Verwendung dieser Schaltung für Zeitmessungen ist zu prüfen, ob das Tastverhältnis der Zeitbasis den Anforderungen genügt; synchrone Teiler wie der '192 oder '193 liefern Impulse in Quarztakt-Länge, der '90 hat ebenfalls kein 50%-Tastverhältnis. Verdoppeln der Generatorfrequenz und ein Flipflop als 1:2-Teiler vor dem T-Eingang kann hier helfen.

2.2. Einzelimpulstor für eine Taktperiode

Derartige Schaltungen öffnen über eine ganze Periode. Das Tastverhältnis des Zeitsteuersignals spielt damit keine Rolle (sofern t_H und t_L den Forderungen der Schaltkreis-Datenblätter hinsichtlich der Schaltzeiten genügen).

Bei der Funktionserläuterung gehen wir wieder von einem definierten Zustand nach dem Reset-Impuls aus. Dessen HL-Flanke bringt Q1 auf L-Pegel und auf diesem Weg wird auch das zweite Flipflop zurückgesetzt. Danach ist Q2 auf H-Pegel. Die Vorbereitungseingänge D beider Flipflops liegen fix auf H-Pegel, welcher mit einer LH-Flanke an deren Takteingängen C übernommen wird. Die erste LH-Flanke des T-Einganges nach dem Reset-Impuls schaltet das erste Flipflop wieder um; Q1 führt H-Pegel. Zum Zeitpunkt dieser Flanke liegt der Reset-Eingang des zweiten Flipflops aber noch auf L-Pegel; die LH-Flanke bleibt daher hier wirkungslos. Erst von der nächsten LH-Flanke des T-Signals, also nach einer Periode, wird dieses Flipflop gekippt. Die UND-Verknüpfung der Zustände Q1 und /Q2 ergibt einen Impuls mit der Länge einer Periode von T. Gleichzeitig wird die Impulsfolge damit verknüpft - der Ausgang liefert somit eine invertierte Impulsfolge von der Länge einer Periode des T-Einganges. Da nach diesem Ablauf der Ausgang Q2 auf L-Pegel verbleibt, bleibt das Tor gesperrt bis ein Neustart durch Reset erfolgt.