ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1998 года по МПК H03K3/27 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и системах управления.

Известен генератор импульсов (см. авт. св. СССР N 610289, кл. H 03 K 3/02, опубл. 05.06.78, бюл.N 21), содержащий два генератора импульсов, выход первого из которых подключен к входу первого интегрирующего каскада, источник питания, второй интегрирующий каскад, вход которого соединен с выходом второго генератора импульсов, и два ключа, управляющий вход первого из которых соединен с выходом первого интегрирующего каскада, а выходы включены между источником питания и шиной питания второго генератора импульсов. Управляющий вход второго ключа соединен с выходом второго интегрирующего каскада, а выходы включены между источником питания и шиной питания первого генератора импульсов. Между выходами генераторов импульсов и соответствующими входами интегрирующих каскадов включены полосовые фильтры.

Применительно к классу высокостабильных генераторов импульсов с кварцевой стабилизацией частоты недостатком указанного генератора импульсов является его сложность, связанная с необходимостью использования в составе полосовых фильтров кварцевых резонаторов элементов, слабо поддающихся микроминиатюризации и затрудняющих выполнение задачи, связанной с улучшением габаритно-массовых характеристик разрабатываемой аппаратуры.

Известен генератор импульсов (см. Г.Б.Альтшуллер и др. Кварцевые генераторы, справочное пособие. М. Радио и связь, 1984, с. 63, рис. 56б), содержащий три логических элемента, выполненных в виде инверторов, кварцевый резонатор и резистор. Выход первого логического элемента соединен с входом второго логического элемента, выход которого соединен непосредственно с входом третьего логического элемента и через кварцевый резонатор с входом первого логического элемента. Выход третьего логического элемента через резистор соединен с входом первого логического элемента.

Недостатком указанного генератора импульсов является низкая достоверность функционирования, связанная с возможностью генерации схемой частоты, лежащей за пределами рабочего диапазона при отказах кварцевого резонатора.

Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является создание генератора импульсов с высокой достоверностью функционирования, выражающейся в генерировании импульсов с частотой, определяемой рабочими характеристиками кварцевого резонатора.

Технический результат, заключающийся в повышении достоверности функционирования устройства, достигается тем, что в генератор импульсов, содержащий три логических элемента, выход первого из которых соединен с первым входом второго логического элемента, выход которого соединен через кварцевый резонатор с входом первого логического элемента и непосредственно с входом третьего логического элемента, выход которого соединен через резистор с входом первого логического элемента, при этом первый и второй логические элементы выполнены в виде инверторов, введены дешифратор и делитель частоты, информационный вход которого соединен с первым входом второго логического элемента, вход начальной установки с входом начальной установки генератора импульсов, а группа выходов с группой соответствующих входов дешифратора, выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента, выполненного в виде элемента совпадения.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить достоверность функционирования генератора импульсов за счет периодического контроля его эквивалентных динамических параметров (добротности) методом свободных затухающих колебаний.

На чертеже представлена электрическая схема генератора импульсов.

Генератор импульсов содержит первый, второй и третий логические элементы 1,2,3, делитель 4 частоты, дешифратор 5, кварцевый резонатор 6, резистор 7. Вход логического элемента 1 через кварцевый резонатор 6 соединен с выходом логического элемента 2 и через резистор 7 с выходом логического элемента 3. Выход логического элемента 1 соединен с первым входом логического элемента 2 и информационным входом делителя 4 частоты. Второй вход логического элемента 2 соединен с выходом дешифратора 5, группа входов которого соединена с группой соответствующих выходов делителя 4 частоты. Выход логического элемента 2 соединен с входом логического элемента 3. Вход начальной установки делителя 4 частоты является входом 8 начальной установки генератора импульсов. Логические элементы 1,3 выполнены в виде инверторов. В качестве логического элемента 2 могут быть использованы как логические элементы 2 И-НЕ, так и логические элементы 2ИЛИ-НЕ. В примере конкретного выполнения импульсов в качестве логического элемента 2 использован двухвходовый элемент 2ИЛИ-НЕ.

Делитель 4 частоты может быть выполнен на основе четырехразрядных двоичных счетчиков-делителей К561ИЕ10, представленных в кн. В.Л.Шило "Популярные цифровые микросхемы". М. Радио и связь, 1987, с. 241, рис. 2.42, при этом в качестве информационного входа делителя 4 частоты используется C-вход или EC- вход счетчика-делителя, в качестве входа начальной установки делителя 4 R-вход счетчика-делителя, неиспользуемый вход счетчика-делителя подключается к соответствующей шине питания.

В качестве дешифратора 5 может использоваться совокупность логических элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, обеспечивающая появление сигнала "лог.1" на выходе дешифратора 5 при определенной комбинации сигналов на его входе.

Генератор импульсов работает следующим образом. Одновременно с подачей в цепи питания устройства фронта напряжения питания (цепи питания на чертеже не показаны) на вход 8 начальной установки должен быть подан импульс напряжения, осуществляющий обнуление триггерных устройств делителя 4 частоты. С выхода дешифратора 5 на второй вход логического элемента 2 при этом подается сигнал "лог 0", логический элемент 2 выполняет функции инвертора сигналов и в схеме выполняются условия для возбуждения колебаний. Первоначально в течение интервала времени 50-100 мс колебания, которые могут быть зафиксированы на выходах логических элементов 1,2,3, осуществляются на повышенной частоте, определяемой статической емкостью кварцевого резонатора 6 (Co). По мере накопления энергии в кварцевом резонаторе 6 частота колебаний приближается к рабочей, определяемой и динамическими параметрами кварцевого резонатора 6. Делитель 4 частоты считает импульсы колебаний, поступающие на его информационный вход. При достижении разрядами делителя 4 состояния, при котором на выходе дешифратора 5 появляется сигнал высокого уровня ("лог 1"), на выходе логического элемента 2 в течение интервала дешифрации фиксируется сигнал "лог. 0", на выходе инвертора 3 сигнал "лог 1". В этом состоянии схемы наличие колебаний на выходе инвертора 1 свидетельствует о том, что в кварцевом резонаторе 6 осуществляются свободные колебания за счет запасенной в нем энергии с временем затухания, величина которого прямо пропорциональна величине добротности кварцевого резонатора 6. Счет импульсов делителя 4 частоты в течение интервала времени, когда на выходе дешифратора 5 формируется сигнал "лог. 1", осуществляется под действием свободных колебаний кварцевого резонатора 6. После того, как разряды делителя 4 частоты перейдут в состояние, характеризуемое окончанием сигнала дешифрации (на выходе дешифратора 5 появится сигнал "лог. 0"), логический элемент 2 восстанавливает функции инвертора сигнала, при этом потери энергии в кварцевом резонаторе 6 будут восполняться в каждом периоде генерации, поскольку в схеме выполняются условия баланса фаз и амплитуд. Поскольку дешифрируемые состояния разрядов делителя 4 частоты повторяются с периодом 2^N, где N число двоичных разрядов делителя 4 частоты, с указанной периодичностью будет осуществляться контроль кварцевого резонатора 6, заключающийся в переключении его на определенное время в режим свободных затухающих колебаний, с выходом из этого режима под действием указанных свободных колебаний. В том случае, если кварцевый резонатор 6 неработоспособен, при переключении схемы в режим контроля свободные колебания на входе логического элемента 1 практически сразу же затухнут и выхода схемы из указанного режима не произойдет.

Необходимо отметить, что по статистике для кварцевых резонаторов в основном характерны катастрофические отказы, связанные с резким уменьшением эквивалентной добротности (обрыв кристалла, сколы и трещины в кристалле кварца). Указанные отказы легко обнаруживаются в предлагаемой схеме при выполнении следующих условий:
1) кварцевый резонатор 6 должен успевать восполнять энергию, соответствующую выполнению условия баланса амплитуд, за время, равное периоду формирования сигналов на выходе дешифратора 5 (периоду переключения схемы в режим контроля). Для низкочастотных схем кварцевых генераторов минимальное значение периода переключения в режим контроля составляет сотни миллисекунд;
2) максимальное время (t_м) нахождения кварцевого резонатора 6 в режиме свободных затухающих колебаний можно определить по формуле:

где Q_к эквивалентная добротность кварцевого резонатора,
f_св частота свободных колебаний резонатора,
A_н начальное значение амплитуды свободных колебаний резонатора,
A₁ значение амплитуды свободных колебаний резонатора, при которой прекращаются колебания на выходе инвертора 1,
π = 3,14.

Необходимо отметить, что делитель 4 частоты, как правило, всегда присутствует в том или ином виде в составе пересчетных схем, для которых генератор импульсов является источником тактовой частоты, поэтому в данном техническом решении речь идет о возложении на указанный делитель частоты дополнительных функций по контролю схемы генератора импульсов.

Как следует из описания работы генератора импульсов, благодаря периодическому переключению схемы в режим контроля работоспособности кварцевого резонатора 6 исключается прохождение на выход колебаний (частот), определяемых паразитными параметрами элементов схемы. Если генератор импульсов формирует импульсы, высока вероятность того факта, что частота этих импульсов определяется рабочими характеристиками кварцевого резонатора, следовательно, по сравнению со схемой прототипа в заявляемой схеме выше достоверность функционирования.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и системах управлениях. Генератор содержит три логических элемента, делитель частоты, дешифратор, кварцевый резонатор и резистор, снабжен входом начальной установки, при этом второй логический элемент выполнен в виде двухвходового элемента ИЛИ-НЕ, в результате чего достигается технический результат - повышение достоверности функционирования. 1 ил.

Генератор импульсов, содержащий три логических элемента, выход первого из которых соединен с первым входом второго логического элемента, выход которого соединен через кварцевый резонатор с входом первого логического элемента и непосредственно с входом третьего логического элемента, выход которого соединен через резистор с входом первого логического элемента, при этом первый и третий логические элементы выполнены в виде инверторов, отличающийся тем, что в него введены дешифратор и делитель частоты, информационный вход которого соединен с первым входом второго логического элемента, который выполнен в виде элемента совпадения, при этом выходы группы выходов делителя частоты соединены с соответствующими входами группы входов дешифратора, выход которого соединен с вторым входом второго логического элемента, а вход начальной установки делителя частоты является входом начальной установки генератора импульсов.