ОДНОТАКТНЫЙ ДВОИЧНЫЙ СЧЕТЧИК Российский патент 1996 года по МПК H03K23/76 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах автоматики и специализированной вычислительной техники для построения времязадающих устройств, устройств управления, схем деления частоты.

Известен однотактный двоичный счетчик, содержащий ферритовые сердечники, транзисторы, резисторы, диоды и конденсаторы /авт.св. СССР N 193152, БИ N 6, 1967/.

Недостатком данного устройства является высокая потребляемая мощность, обусловленная наличием цепи подмагничивания постоянным током, необходимой для принудительного сброса сердечников в начальное состояние намагниченности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является однотактный двоичный счетчик, содержащий сердечник с ППГ с расположенными на нем шестью обмотками, сердечник с НПГ с расположенными на нем тремя обмотками, транзистор и два резистора, причем начало первой обмотки сердечника с НПГ соединено с концом первой обмотки сердечника с ППГ, начало которой подключено к источнику тактовых импульсов, конец первой обмотки сердечника с НПГ подключен к первому источнику постоянного напряжения, соединенные последовательно вторые обмотки обоих сердечников служат для организации реверсивного режима работы, третья обмотка сердечника с ППГ служит для установки в начальное состояние, четвертая обмотка этого сердечника служит для ввода параллельного кода, пятая обмотка сердечника с ППГ шунтирована первым резистором и началом подключена к базе транзистора, а концом к концу третьей обмотки сердечника с НПГ, начало которой соединено с общей шиной, эмиттер транзистора соединен с вторым источником постоянного напряжения, коллектор транзистора соединен с концом шестой обмотки сердечника с ППГ, начало которой через последовательно включенные второй резистор и сопротивление нагрузки подключено к первому источнику постоянного напряжения /авт. св. СССР N 242517, БИ N 5, 1969/.

Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная критичностью к длительности счетного импульса. Действительно, пусть сердечник с ППГ находится в состоянии с остаточной индукцией -Bnr

. Тогда с приходом очередного счетного импульса сердечники начинают изменять свое состояние следующим образом: НПГ: +Bнr _→ Bнm, ППГ: -Bnr _→ +Bnm. При переключении сердечника с ППГ ЭДС, наводимое во включенных встречно в базовой цепи транзистора обмотках взаимно компенсируются, поэтому транзистор закрыт. Теперь, если длительность счетного импульса t_вх превышает время переключения сердечника с ППГ из состояния -Bnr в состояние +Bnr /t₁/, т.е. t_вх>t₁, то вследствие действия нескомпенсированной ЭДС в обмотке базовой цепи транзистора, расположенной на сердечнике с НПГ, может произойти ложный запуск генеративного процесса, поддерживаемого открытым транзистором. В этом случае сердечник с ППГ возвращается в состояние остаточной намагниченности -Bnr, а на выходе устройства появляется ложный сигнал, что является нарушением работоспособности. При переключении сердечника с ППГ из состояния +Bnr в состояние -Bnr за время t_pn, после того, как протекание коллекторного тока транзистора прекратится, за счет протекания входного тока за время /t_вх t_pn/ состояние остаточной намагниченности становится неопределенным и отличным от -Bnr, что может приводить к нарушению работоспособности. Естественное решение, устраняющее указанные причины нарушения работоспособности, состоит в обеспечении запасов для гарантированного выполнения неравенства t_вх<min(t₁, t_pn). Однако при t_вх<t_pn в момент окончания действия тактового импульса /при переключении сердечника с ППГ из состояния +Bnr в состояние -Bnm, когда индукция в сердечнике с НПГ изменяется из состояния +Bнm в состояние +Bнr, в обмотке базовой цепи транзистора, расположенной на сердечнике с НПГ, наводится импульс напряжения положительной полярности, который может оборвать развитие регенеративного процесса, что приведет к установлению неопределенного значения остаточной индукции и появлению на выходе устройства выходного сигнала, длительность которого не будет соответствовать заданному расчетному значению, полученному из требования переключения сердечника с ППГ по полному циклу. Поэтому для счетчиков данного типа необходимо принимать меры к тому, чтобы обеспечить
t_кр<t_вх<min(t₁, t_pn) (1),
где t_кр критическое значение длительности счетного импульса, которое при срыве регенеративного процесса обеспечивает приемлемое значение остаточной индукции, достаточное для передачи информации в следующий счетный каскад. Указанные особенности функционирования счетчика обусловливает следующие недостатки в режиме каскадирования:
1. Низкая технологичность, так как требуется взаимная подгонка и отбраковка счетных каскадов в соответствии с условием (1), , где i - порядковый номер каскада.

2. Низкая надежность в диапазоне изменения температур и напряжения питания, обусловленная возможностью нарушения условия (1).

Действительно, при росте U_пит длительность входного импульса i-го каскада определяется временем t_pn (i-1)-го каскада и благодаря наличию отрицательной обратной связи /ток размагничивания базовой цепи транзистора/ уменьшается в меньшей мере, чем время перемагничивания ненагруженного сердечника i-го каскада из состояния -Bnr

в состояние +Bnm /t₁/, что может приводить к невыполнению (1) и нарушению работоспособности.

Таким образом, перечисленные причины нарушения работоспособности обусловливают низкую надежность устройства.

Сущность изобретения, содержащего основной ферритовый сердечник с обмотками установки, считывания, обратной связи, базовой и записи, первый вспомогательный сердечник с обмотками входной и выходной, первый транзистор и два резистора, причем база первого транзистора соединена с началом обмотки записи, конец которой соединен с концом выходной обмотки первого вспомогательного сердечника, начало входной обмотки первого вспомогательного сердечника соединено с концом базовой обмотки основного сердечника, коллектор первого транзистора через последовательно соединенные первый резистор, обмотку считывания основного сердечника, соединен с источником постоянного напряжения, состоит в том, что согласно изобретению устройство содержит второй вспомогательный сердечник с обмотками установочной, входной и выходной, два третьих вспомогательных сердечника с обмотками входными и выходными, третий, четвертый и пятый резисторы, второй, третий и четвертый транзисторы и диод, причем начало выходной обмотки первого вспомогательного сердечника через второй резистор соединено с шиной нулевого потенциала, конец выходной обмотки первого вспомогательного сердечника соединен с анодом диода, катод которого, а также эмиттеры первого, третьего и четвертого транзисторов соединены с шиной нулевого потенциала, начало базовой обмотки основного сердечника соединено с базой первого транзистора, конец входной обмотки первого вспомогательного сердечника и начало обмотки обратной связи основного сердечника соединены с эмиттером второго транзистора, конец обмотки обратной связи основного сердечника соединены с концом выходной обмотки второго вспомогательного сердечника, начало которой соединено с началом выходной обмотки первого вспомогательного сердечника третьего типа, конец которой соединен с базой второго транзистора и через третий резистор подключен к шине нулевого потенциала, коллектор второго транзистора через первый резистор подключен к источнику постоянного напряжения, начало обмотки считывания основного сердечника соединено с коллектором второго транзистора, а конец этой обмотки соединен с началом входной обмотки второго вспомогательного сердечника, конец которой соединен с началом входной обмотки второго вспомогательного сердечника третьего типа, конец которой соединен с коллектором первого транзистора, коллектор третьего транзистора подключен к концу входной обмотки первого вспомогательного сердечника третьего типа, начало которой через четвертый резистор подключено к источнику постоянного напряжения, начало обмотки установки основного сердечника подключено к источнику постоянного напряжения, конец этой обмотки соединен с началом обмотки установки второго вспомогательного сердечника, конец которой через пятый резистор соединен с коллектором четвертого транзистора, число витков базовой обмотки превышает число витков обмотки записи основного сердечника.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг.2 временная диаграмма, поясняющая его работу.

Устройство содержит основной сердечник 1 с расположенными на нем обмотками установки 2, считывая 3, обратной связи 4, базовой 5, записи 6, причем две последние соединены началами, первый вспомогательный сердечник 7 с обмотками входной 8 и выходной 9, второй вспомогательный сердечник 10 с обмотками установки 11, входной 12, выходной 13, первый и второй вспомогательные сердечники третьего типа 14₁ и 14₂ с обмотками входными 15₁ и 15₂ и выходными 16₁ и 16₂, причем с последней снимается выходной сигнал устройства, резисторы 17 21, транзисторы 22 25, диод 26, катодом подключенный к шине нулевого потенциала, клеммы входная 27 и установки в начальное состояние 28.

Устройство работает следующим образом.

Пусть путем подачи импульса тока через последовательно соединенные обмотки 2 и 11, пятый резистор 19 в открытый четвертый транзистор 23 сердечник 1 установлен в начальное с остаточной индукцией -B_r. Такой импульс может быть получен при подаче в базу транзистора 23 импульса напряжения положительной полярности /клемма установки 28/. Тогда после подачи первого счетного импульса на вход устройства 27 через последовательно соединенные открытый третий транзистор 24, обмотку 15₁ и четвертый резистор 17 протекает импульс тока, по заднему фронту /спаду/ которого в обмотке 16₁ возникает импульс напряжения положительной полярности, отпирающий второй транзистор 22. При этом коллекторный ток транзистора 22 протекает через последовательно соединенные первый резистор 18, обмотки 5, 6 и 8, диод 26, шунтированный последовательно соединенными обмоткой 9 и вторым резистором 21. Скорость изменения потока индукции сердечника 1 устанавливается такой, чтобы напряжение в базе первого транзистора 25: , где - остаточное напряжение открытого диода 26, W₆ число витков обмотки 6. Индукция в сердечнике 7 изменяется по пологой части петли гистерезиса из соотношения +B_r в состояние +B_m, а в сердечнике 1 из состояния -B_r в состояние +B_m, что обеспечивается условием W₅>W₆, где W₅ число витков обмотки 5. В обмотке 4 наводится ЭДС, поддерживающая открытое состояние транзистора 22 после окончания действия импульса в обмотке 16₁ до момента достижения индукции в сердечнике 1 значения +B_m, после чего транзистор 22 запирается, а по заднему фронту его коллекторного тока в обмотках 6 и 9 наводятся ЭДС противоположного знака. Для надежного запирания транзистора 25 необходимо обеспечить непревышение значения ЭДС в обмотке 6 значения ЭДС в обмотке 9. Так как формирование этих ЭДС связано с накоплением энергии за счет дроссельного эффекта в сердечниках 1 и 7 /при изменении индукции по пологой части ППГ/, то условие запирания транзистора 25 обеспечивается выбором числа витков обмоток 4, 5, 6, 8 и 9. Следует отметить, что в зависимости от значения ток через резистор 21 может иметь то или иное направление. При ток протекает к общей шине, при от общей шины. Таким образом, после подачи первого счетного импульса остаточная индукция в сердечнике 1 изменяется из состояния -B_r в состояние +B_r. После появления в обмотке 16₁ импульса положительной полярности по заднему фронту второго счетного импульса, также как и в первом случае отпирается транзистор 22, что приводит к протеканию его коллекторного тока через рассмотренную в первом случае цепочку. До прихода второго счетного импульса оба сердечника 1 и 7 находились в состоянии в остаточной индукцией +B_r. Поэтому через обмотки 4 и 5 развивается блокинг-процесс, благодаря чему индукция в сердечнике 1 изменяется до значения +B_m. После окончания этого блокинг-процесса, развивающегося за счет быстрых процессов обратимого перемагничивания сердечника 1 в обмотке 16₁ продолжает действовать импульс положительной полярности /это условие обеспечивается выбором числа витков обмоток 15, 16, 4, 5 и 6/. При этом напряжение в обмотке 6 падает практически до нуля, что приводит к росту напряжения в базе транзистора 25 и его отпиранию. В схеме благодаря положительной обратной связи через обмотки 3 и 6 развивается блокинг-процесс, поддерживающий открытое состояние транзистора 25. Это обеспечивается за счет превышения значения ЭДС, наводимой в обмотке 6, значения ЭДС, наводимой в обмотке 9, т.е. отбираемая из коллекторной цепи транзистора 25 энергия за вычетом энергии перемагничивания сердечника 1 превышает энергию, накопленную в дросселе на сердечнике 7. Этот процесс продолжается до момента насыщения индукции в сердечнике 1, когда ее значение станет равным -B_m. После этого транзистор 25 запирается. В момент действия коллекторного тока транзистора 25 -W₄•Ф₁<0, где напряжение база-эмиттер транзистора 22, W₄ число витков обмотки 4, что обеспечивает закрытое состояние транзистора 22. Напряжение в обмотке 13 компенсирует действие помехи положительной полярности в обмотке 4 при изменении индукции в сердечнике 1 от значения -B_m до значения -B_r, что блокирует ложное отпирание транзистора 22 по заднему фронту импульса коллекторного тока транзистора 25. По заднему фронту этого импульса с обмотки 16₂ снимается выходной импульс устройства. При каскадировании N счетчиков данного типа обмотка 16₂ i-го каскада является обмоткой 16₁ i+1-го каскада, что справедливо и в отношении сердечников 14₁ и 14₂, обмоток 15₁ и 15₂. Установочные обмотки всех каскадов могут включаться последовательно, при этом длительность импульса установки, подаваемого на установочный вход 28 выбирается из соотношения:
(2),
где длительность переключения сердечника 1 по полному циклу, N число каскадов, Δτ суммарная длительность импульсов отрицательной и положительной полярности в обмотке 16₁. Для пояснения формулы (2) примем во внимание следующие процессы:
1. При изменении индукции в сердечнике 1 из состояния В_нач до -В_m транзистор 25 открыт и через обмотку 15₂ протекает его коллекторный ток. При достижении состояния -B_m транзистор 25 закрывается, коллекторный ток не протекает и в обмотке 16₂ наводится импульс напряжения положительной полярности, отпирающий транзистор 22 следующего каскада. Описанный процесс протекает в схеме после прохождения тока через транзистор 22 и последовательно соединенные обмотки 5 и 6.

2. Рассмотрим промежуточный каскад счетчика, который находится в состоянии с остаточной индукцией -В_m, поддерживаемом током установки через обмотку 2. Теперь, если в момент действия тока установки в обмотке 16₁ наводится импульс напряжения положительной полярности, то за счет протекания тока через транзистор 22 и обмотки 5 и 6 индукция в сердечнике 1 уменьшается по абсолютной величине. Следовательно, после окончания действия тока установки индукции в сердечнике 1 опять будет изменяться до -В_m, открывается транзистор 25, и в обмотке 16₂ последовательно появляются импульсы напряжения отрицательной /по переднему фронту коллекторного тока транзистора 25/ и положительной /по заднему фронту/ полярности. Последний из них вызовет аналогичный процесс в следующем каскаде. После этого формула (2) становится очевидной.

Таким образом, введение дополнительных второго вспомогательного сердечника с обмотками установочной, входной и выходной, двух вспомогательных сердечников третьего типа с обмотками входными и выходными, трех резисторов, диода и трех транзисторов позволяет обеспечить устойчивое переключение сердечника 1 по полной петле гистерезиса при помощи двух блокинг-процессов: из состояния -В_r в состояние +В_m на транзисторе 22 и из состояния +В_r в состояние -В_m на транзисторе 25. В отличие от прототипа в заявляемом техническом решении благодаря соответствующим образом включенным компенсационным обмоткам не происходит полного или даже частичного разрушения записанной информации, так как после окончания одного из блокинг-процессов запуск другого блокируется и возможен только с приходом очередного счетного импульса /в базу третьего транзистора 24/. Так как все процессы перемагничивания сердечника 1 начинаются по заднему фронту счетного импульса, действующего в обмотке 15₁, а процессы необратимого перемагничивания обеспечиваются только одним из двух формирователей тока, т.е. отсутствует компенсация м.д.с. то в схеме также отсутствует критичность к длительности счетного импульса. Единственное требование это формирование в обмотке 16₁ импульса напряжения с амплитудой, достаточной для отпирания транзистора 22, что обеспечивается выбором числа витков обмотки 16₁. После отпирания транзистора 22 импульсом напряжения в обмотке 16₁ открытое состояние транзистора 22 поддерживается блокинг-процессом через обмотки 4 и 5. Коллекторный ток транзистора 22, протекающий через цепочку из диода 26 и обмоток 5 и 6 позволяет после окончания обратимых процессов перемагничивания сердечника 1 по значению напряжения в базе транзистора 25 идентифицировать состояние намагниченности сердечника 1. После чего происходит необратимое перемагничивание сердечника 1 путем включения соответствующего формирователя /на транзисторе 22 либо 25/, переводящего сердечник 1 в состояние с противоположным значением намагниченности. Наличие положительной обратной связи в данных формирователях обеспечивает гарантированное переключение сердечника 1 по предельной петле гистерезиса, в то время как в прототипе режим работы сердечника зависит от соотношения длительностей счетного импульса и процесса необратимого перемагничивания. Режим работы сердечника с ППГ на предельной петле /А.Ф.Иоффе. Магнитные элементы и приборах ядерной электроники. М. Атомиздат, 1991, с.19/ обладает наивысшей надежностью в широком диапазоне изменения дестабилизирующих факторов, так как в этом случае не используются пороговые свойства ППГ, а состояния намагниченности не зависят от соотношения параметров импульсов записи и считывания.

Использование: в специализированной вычислительной технике, для построения времязадающих устройств. Сущность изобретения: однотактный двоичный счетчик содержит сердечник 1 с расположенными на нем обмотками установки 2, считывания 3, обратной связи 4, базовой 5, записи 6, вспомогательный сердечник 7 с обмотками входной 8 и выходной 9, вспомогательный сердечник 10 с обмотками установки 11, входной 12, выходной 13, вспомогательные сердечники 14₁, 14₂ с обмотками входными 15₁, 15₂, выходными 16₁, 16₂, резисторы 17 - 21, транзисторы 22 - 25, диод 26, входную клемму 27, клемму установки начального состояния. 2 ил.

Однотактный двоичный счетчик, содержащий основной ферритовый сердечник с обмотками установки, считывания, обратной связи, базовой записи, первый вспомогательный сердечник с обмотками входной и выходной, первый транзистор и два резистора, причем база первого транзистора соединена с началом обмотки записи, конец которой соединен с концом выходной обмотки первого вспомогательного сердечника, начало входной обмотки первого вспомогательного сердечника соединено с концом базовой обмотки основного сердечника, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй вспомогательный сердечник с обмотками установки, входной и выходной, два третьих вспомогательных сердечника с обмотками входными и выходными, третий, четвертый и пятый резисторы, второй, третий и четвертый транзисторы и диод, причем начало выходной обмотки первого вспомогательного сердечника через второй резистор соединено с шиной нулевого потенциала, конец выходной обмотки первого вспомогательного сердечника соединен с анодом диода, катод которого, а также эмиттеры первого, третьего и четвертого транзисторов соединены с шиной нулевого потенциала, начало базовой обмотки основного сердечника соединено с базой первого транзистора, конец входной обмотки первого вспомогательного сердечника и начало обмотки обратной связи основного сердечника соединены с эмиттером второго транзистора, конец обмотки обратной связи основного сердечника соединен с концом выходной обмотки второго вспомогательного сердечника, начало которой соединено с началом выходной обмотки первого вспомогательного сердечника третьего типа, конец которой соединен с базой второго транзистора и через третий резистор подключен к шине нулевого потенциала, коллектор второго транзистора через первый резистор подключен к источнику постоянного напряжения, начало обмотки считывания основного сердечника соединено с коллектором второго транзистора, а конец этой обмотки соединен с началом входной обмотки второго вспомогательного сердечника, конец которой соединен с началом входной обмотки второго вспомогательного сердечника третьего типа, конец которой соединен с коллектором первого транзистора, коллектор третьего транзистора, база которого является счетным входом устройства, подключен к концу входной обмотки первого вспомогательного сердечника третьего типа, начало которой через четвертый резистор подключено к источнику постоянного напряжения, начало обмотки установки основного сердечника подключено к источнику постоянного напряжения, конец этой обмотки соединен с началом обмотки установки второго вспомогательного сердечника, конец которой через пятый резистор соединен с коллектором четвертого транзистора, база которого является установочным входом устройства, причем число витков базовой обмотки превышает число витков обмотки записи основного сердечника.