МАЖОРИТАРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК G06F11/18 H05K10/00 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервирования.

Известны устройства для выбора среднего значения сигнала, см., например, описанное в [1]. Устройство выбирает входной сигнал, значение которого лежит между значениями других входных сигналов. Однако из-за наличия в устройстве большого количества элементов оно обладает низкой надежностью, что недопустимо при построении высоконадежных систем.

Известно мажоритарное устройство для выбора цепей [2], содержащее первый, второй и третий вычитающие усилителя, выходы которых объединены в общей точке, а входы соединены с соответствующими входами устройства. Устройство обрабатывает сигналы, отличающиеся на неопределенную величину, и выбирает сигнал со средним значением.

Известно также мажоритарное устройство, наиболее близкое из аналогов, - прототип, описание которого приведено в [3]. Устройство содержит первый, второй и третий вычитающие усилители, инвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий релейные элементы, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего вычитающих усилителей, неинвертирующие входы которых подключены соответственно ко второму, третьему и первому входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами второго, третьего и первого ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого релейных элементов, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства. Устройство обрабатывает аналоговые сигналы по принципу 2 из 3-х аналогично цифровому мажоритару.

Все вышеуказанные устройства обладают одним имеют общим недостатком "повышенное" потребление электрической энергии и, как следствие, "недостаточно" высокую надежность, так как не используется метод холодного резервирования каналов этих устройств.

Задача изобретения - уменьшение потребления электроэнергии и повышение надежности мажоритарного устройства.

Решение задачи достигается тем, что в мажоритарное устройство, содержащее первый, второй и третий вычитающие усилители, инвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий релейные элементы, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего вычитающих усилителей, неинвертирующие входы которых подключены соответственно ко второму, третьему и первому входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами второго, третьего и первого ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого релейных элементов, а выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства, дополнительно введены четвертый ключ и логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход соединен с управляющим входом четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с шиной питания, сигнальный выход соединен со входами питания вычитающих усилителей, релейных элементов и ключей второго и третьего каналов. Введение указанных элементов и связей позволяет выключать питание двух каналов мажоритарного устройства, т.е. экономить около 60% электроэнергии по сравнению с аналогами.

На фиг. 1 приведена функциональная схема мажоритарного устройства, где 1, 2, 3 - соответственно первый, второй и третий входы устройства, 4, 5, 6 - первый, второй и третий вычитающие усилители, 7, 8, 9 - первый, второй и третий релейные элементы, 10, 11, 12 - первый, второй и третий ключи, 13 - выход устройства, 14 - логический элемент НЕ, 15 - четвертый ключ, 16 - шина питания (U_пит), V_сс - входы питания третьего вычитающего усилителя, третьего релейного элемента и третьего ключа.

Первый вход 1 мажоритарного устройства соединен с сигнальным входом первого ключа 10, инвертирующим входом первого вычитающего усилителя 4 и неинвертирующим входом третьего вычитающего усилителя 6, второй вход 2 соединен с сигнальным входом второго ключа 11, инвертирующим входом второго вычитающего усилителя 5 и неинвертирующим входом первого вычитающего усилителя 4, третий вход 3 соединен с сигнальным входом третьего ключа 12, инвертирующим входом третьего вычитающего усилителя 6 и неинвертирующим входом второго вычитающего усилителя 5. Выход первого вычитающего усилителя 4 соединен со входом первого релейного элемента 7, выход второго вычитающего усилителя 5 соединен со входом второго релейного элемента 8, выход третьего вычитающего усилителя 6 соединен со входом третьего релейного элемента 9. Выходы первого 7, второго 8 и третьего 9 релейных элементов соединены с управляющими входами первого 10, второго 11 и третьего 12 ключей соответственно, выходы которых соединены с выходом устройства 13. Вход логического элемента 14 соединен с выходом первого релейного элемента 7. Выход логического элемента 14 соединен с управляющим входом четвертого ключа 15. Сигнальный вход четвертого ключа 15 соединен с шиной питания 16 (U_пит). Сигнальный выход четвертого ключа 15 соединен со входами питания V_сс вычитающих усилителей 5 и 6, релейных элементов 8 и 9 и ключей 11 и 12.

Каналы схемы взаимозаменяемы. На чертеже приведен один из трех возможных вариантов построения мажоритарного устройства.

Мажоритарное устройство работает следующим образом. Входные сигналы S1, S2 и S3 поступают на входы 1, 2 и 3 соответственно. Одновременно сигнал S1 подается на инвертирующий вход первого вычитающего усилителя 4, сигнальный вход первого ключа 10 и неинвертирующий вход третьего вычитающего усилителя 6, сигнал S2 подается на инвертирующий вход второго вычитающего усилителя 5, сигнальный вход второго ключа 11 и неинвертирующий вход первого вычитающего усилителя 4, сигнал S3 подается на инвертирующий вход третьего вычитающего усилителя 6, сигнальный вход третьего ключа 12 и неинвертирующий вход второго вычитающего усилителя 5. Таким образом сигналы S1, S2 и S3 сравниваются на вычитающих усилителях по схеме 2 из 3-х путем вычитания: сигналы S1 и S2 на первом вычитающем усилителе 4, сигналы S2 и S3 на втором вычитающем усилителе 5, сигналы S1 и S3 на третьем вычитающем усилителе 6 и одновременно подаются на сигнальные входы первого 10, второго 11 и третьего 12 ключей соответственно. Выходные сигналы первого 4, второго 5 и третьего 6 вычитающих усилителей U1-2, U2-3 и U3-1 соответственно, в зависимости от значений входных сигналов, будут определяться в соответствии с табл.1, где h - допустимая погрешность отличия входных сигналов друг от друга равная порогу срабатывания релейных элементов 7,8 и 9; U1, U2, U3 - выходные сигналы первого 7, второго 8 и третьего 9 релейных элементов соответственно, при этом низкий уровень сигнала соответствует значению "0", высокий уровень сигнала соответствует значению "1", записи "2 канал выключен" и "3 канал выключен" соответствуют высокому уровню сигнала, т.е. значению "1".

Выходные сигналы релейных элементов 7, 8 и 9 (U1, U2, U3) поступают на управляющие входы ключей 10, 11 и 12 соответственно, при этом сигнал со значением "0" соответствует замкнутому состоянию ключа, а со значением "1" (или "2 и 3 каналы выключены") - разомкнутому (или выключенному) состоянию.

В соответствии со схемой, приведенной на чертеже, и в зависимости от соотношения выходных сигналов релейных элементов 7, 8 и 9 (а также в зависимости от включенного или выключенного состояния 2-го и 3-го каналов), будут размыкаться ключи 10, 11 и 12 (а ключи 11 и 12 могут выключаться) соответственно и формировать выходной сигнал S мажоритарного устройства согласно табл. 2.

Эффект от использования предлагаемого мажоритарного устройства в следующем. При отсутствии отказавших входных сигналов или при наличии отказавшего сигнала только в третьем канале второй и третий каналы находятся в выключенном состоянии, так как выходной сигнал низкого уровня первого релейного элемента, проинвертированный логическим элементом НЕ высоким уровнем поступает на управляющий вход четвертого ключа, который размыкает свой сигнальный канал и снимает напряжение питания U_пит со входов питания V_сс вычитающих усилителей, релейных элементов и ключей второго и третьего каналов, при этом вычитающие усилители и ключи находятся в "третьем состоянии", т.е. имеют высокие входные и выходные импедансы соответственно. Поскольку второй и третий каналы находятся в выключенном состоянии, то происходит экономия 60% электроэнергии, элементы второго третьего каналов находятся в режиме хранения (холодное резервирование) даже при наличии отказавшего сигнала по третьему каналу.

В качестве элементов для реализации энергоэкономичного мажоритарного устройства можно использовать операционные усилители и аналоговые ключи микросхем любых серий.

Литература
1. Патент США N 4,276,648, кл. G 06 F 11/18 от 4 сентября 1979 г. Способ и аппаратура для обнаружения ошибки и выбора среднего значения сигнала.

2. Патент США N 3,706,044, кл. G 06 F 11/18 от 29 сентября 1970 г. Аналоговый мажоритар для выбора цепей.

3. Патент РФ N 2141130, кл. G 06 F 11/18 от 10.11.99 г. Мажоритарное устройство.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при построении высоконадежных устройств и систем, проектируемых по методу горячего резервирования. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии и повышении надежности мажоритарного устройства. Технический результат достигается за счет того, что в устройство, содержащее первый, второй и третий операционные усилители, первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий релейные элементы, дополнительно введены четвертый ключ и логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход соединен с управляющим входом четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с шиной питания, сигнальный выход четвертого ключа соединен со входами питания вторых и третьих операционных усилителей, релейных элементов и ключей. 1 ил., 2 табл.

Мажоритарное устройство, содержащее первый, второй и третий операционные усилители, инвертирующие входы которых соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами устройства, первый, второй и третий ключи, первый, второй и третий релейные элементы, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего операционных усилителей, неинвертирующие входы которых подключены соответственно ко второму, третьему и первому входам устройства, соединенным соответственно с сигнальными входами второго, третьего и первого ключей, управляющие входы которых соединены с выходами соответственно второго, третьего и первого релейных элементов, выходы первого, второго и третьего ключей соединены с выходом устройства, а входы питания первого операционного усилителя, первого релейного элемента и первого ключа соединены с шиной питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены четвертый ключ и логический элемент НЕ, вход которого соединен с выходом первого релейного элемента, а выход соединен с управляющим входом четвертого ключа, сигнальный вход которого соединен с шиной питания, сигнальный выход четвертого ключа соединен со входами питания вторых и третьих операционных усилителей, релейных элементов и ключей.