УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕРВАЛА ВРЕМЕНИ Российский патент 2001 года по МПК H03K5/04 

Настоящее изобретение относится к технике формирования импульсов переменной длительности.

Уровень техники
Для формирования интервалов времени с регулируемой длительностью, например при задержке импульсных сигналов, широко используются релаксационные процессы на основе заряда хронирующего конденсатора. Такой способ осуществлен, в частности, в общеизвестных реле времени, состоящих из триггера, охваченного обратной связью через разрядный ключ, хронирующую RC-цепь и компаратор [1, 2] . Подобные устройства просты в реализации, однако не обеспечивают стабильной длительности временного интервала ввиду аналогового принципа его формирования, чувствительного к изменению температуры среды и питающего напряжения.

Известен также способ формирования импульса заданной длительности [3], основанный на выработке стабильных периодических пилообразных сигналов, согласно которому в момент поступления запускающего сигнала запоминают мгновенное значение пилообразного сигнала в качестве порогового напряжения, а заканчивают формирование интервала в момент достижения порогового напряжения пилообразным сигналом в следующем периоде. Реализующее этот способ устройство включает триггер с обратной связью через хронирующую цепь в виде опорного генератора, нагруженного на двухканальный формирователь пилообразного напряжения, каждый канал которого снабжен аналоговым запоминающим устройством и компаратором. Однако в данном аналоге не предусмотрена возможность электронного регулирования длительности формируемого импульса.

Повышенную стабильность формируемого интервала и возможность его цифровой перестройки обеспечивают устройства, работа которых основана на подсчете задаваемого количества импульсов стабильной частоты. К таким устройствам относится, в частности, устройство формирования интервалов задержки (4], включающее основной и управляющий счетчики импульсов, подключенные выходами к блоку равнозначности, а также элемент И, подключенный входами к оперному генератору и входному зажиму запускающего сигнала, а выходом - к входу основного счетчика импульсов. Цифровое регулирование длительности формируемого интервала осуществляется управляющим счетчиком импульсов, содержимое которого можно изменять. Однако точность данного аналога невысока, так как шаг квантования времени ограничен периодом опорного генератора.

Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является формирователь импульсов [5], содержащий опорный генератор и счетчик импульсов, а также выходной триггер, одним входом соединенный с входным зажимом запускающего сигнала, а другим - с выходом счетчика импульсов. Цифровое регулирование длительности импульса в данном устройстве можно осуществить очевидным путем, снабдив счетчик импульсов входами параллельной загрузки исходного состояния. Недостаток устройства- прототипа состоит в низкой точности длительности формируемого импульса, поскольку шаг квантования времени в процессе формирования равен периоду импульсов опорного генератора и не может быть произвольно уменьшен.

Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является повышение точности формируемого интервала времени путем уменьшения кванта времени.

Для достижения поставленной цели период опорных импульсов дополнительно разбивается на множество частей, равных шагу квантования времени, благодаря выполнению опорного генератора в виде мультифазного генератора импульсов. Множество выходов мультифазного генератора импульсов образуют при этом субшкалу отсчета времени в начале и конце формируемого интервала. Процесс отсчета временного интервала и цифровое управление его длительностью осуществляют дополнительно введенные блоки: регистр, шифратор, сумматор, мультиплексор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и узел сравнения.

В соответствии с предлагаемым изобретением счетчик импульсов, способный работать в режиме параллельной загрузки исходного числа, соединен информационными входами с входными зажимами цифрового кода временного интервала, а входом загрузки - с входным зажимом запускающего сигнала и входом сброса триггера, выход которого служит выходом устройства, а информационный вход подключен к выходу узла сравнения. Выходы мультифазного генератора импульсов присоединены к соответствующим информационным входам мультиплексора и регистра, у которого тактовый вход подключен к входному зажиму запускающего сигнала, все выходы присоединены к группе младших разрядов первого слагаемого сумматора через шифратор, а первый выход регистра, кроме того, соединен с входом старшего разряда первого слагаемого сумматора. Входы второго слагаемого сумматора присоединены к дополнительным входным зажимам цифрового кода временного интервала, группа выходов всех младших разрядов суммы соединена с соответствующими адресными входами мультиплексора, выход старшего разряда суммы - с одним входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход переноса - с первым входом узла сравнения. Остальные входы узла сравнения в устройстве подключены к соответствующим выходам счетчика импульсов. Элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ другим своим входом присоединен к выходу мультиплексора, а выходом - к тактовым входам счетчика импульсов и триггера.

В предпочтительном варианте исполнения узел сравнения состоит из выходного элемента ИЛИ, соединенного своими входами с выходами соответственно элементов И и ИЛИ-НЕ. Объединенные первые входы элемента И и элемента ИЛИ-НЕ служат первым входом узла сравнения, а их же соответственно объединенные оставшиеся входы - остальными входами узла сравнения.

На чертеже представлена электрическая функциональная схема устройства для формирования интервала времени согласно настоящему изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Показанная на чертеже схема устройства для формирования интервала времени включает мультифазный генератор 1 импульсов, выходы которого подключены одновременно к соответствующим входам регистра 2 и мультиплексора 3. Выходы регистра 2 через шифратор 4 соединены с группой младших входов первого слагаемого сумматора 5, его первый выход, кроме того, соединен с входом старшего разряда первого слагаемого сумматора 5, а тактовый вход - с входным зажимом 6 запускающего сигнала.

Входящий в схему счетчик 7 импульсов присоединен входом загрузки к входному зажиму 6 запускающего сигнала, информационными входами - к входным зажимам 8 старших разрядов цифрового кода временного интервала, а тактовым входом одновременно с тактовым входом триггера 9 - к выходу элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Узел 11 сравнения подключен первым входом к выходу переноса сумматора 5, остальными входами - к соответствующим выходам счетчика 7 импульсов, а выходом - к информационному входу триггера 9. Входы второго слагаемого сумматора 5 соединены с дополнительными входными зажимами 12 младших разрядов цифрового кода временного интервала, выход его старшего разряда суммы - с одним входом элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а остальные выходы - с адресными входами мультиплексора 3. Выход мультиплексора 3 подключен к оставшемуся входу элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход триггера 9 - к выходному зажиму 13 синтезатора временных интервалов.

Узел 11 сравнения может быть выполнен в виде выходного элемента 14 ИЛИ, входы которого соединены с выходами элемента 15 И и элемента 16 ИЛИ-НЕ. При этом объединенные первые входы элемента 15 И и элемента 16 ИЛИ-НЕ служат первым входом узла 11 сравнения, остальными входами которого являются соответственно объединенные входы обоих элементов 15 И и 16 ИЛИ-НЕ.

Если мультифазный генератор 1 импульсов имеет 2ⁿ выходов, то столько же разрядов должен содержать параллельный регистр 2, такое же количество информационных входов должен иметь мультиплексор 3. Числу n равно количество выходов шифратора 4 и количество адресных входов мультиплексора 3. Параллельный сумматор 5 является (n+1)-разрядным, а счетчик импульсов - m-разрядным. Значение кванта времени при синтезе временного интервала составляет T_о/2ⁿ⁺¹, где T_о - период импульсов на каждом выходе мультифазного генератора 1 импульсов.

В предпочтительном варианте осуществления мультифазный генератор 1 импульсов выполняется в виде инвертора, охваченного обратной связью через секционированную линию задержки, которой может служить, например, последовательная цепь из 2ⁿ электронных элементов задержки. Выходы указанных элементов задержки образуют множество 2ⁿ выходов мультифазного генератора 1 импульсов с фазовым сдвигом от 0 до π. В процессе генерирования импульсов по секциям такой линии задержки распространяется сначала "волна нулей", а затем - "волна единиц". Выходные импульсы имеют форму "меандр", что позволяет в качестве выходов мультифазного генератора 1 импульсов в диапазоне π...2π использовать инверсии основных выходов из диапазона 0... π. Инверсию выбранного мультиплексором 3 основного выхода мультифазного генератора 1 импульсов выполняет элемент 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Применение управляемого инвертора в виде элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ позволяет сократить в два раза необходимое число рабочих фаз мультифазного генератора 1 импульсов, а также уменьшить в два раза разрядность регистра 2, мультиплексора 3 и шифратора 4.

Шифратор 4 преобразует поступающую с выходов регистра 2 цифровую комбинацию вида где a_i - либо 0, либо 1, в двоичное число, указывающую номер позиции в комбинации, где происходит изменение значения бита с 0 на 1 или наоборот.

Длительность синтезируемого интервала времени задается цифровым двоичным (m+n+1)-разрядным числом, поступающим на входные зажимы 8, 12 цифрового кода временного интервала. Отсчет формируемого интервала ведется в квантах времени T_о/2ⁿ⁺¹.

Устройство для формирования интервала времени работает в следующем порядке.

Мультифазный генератор 1 импульсов непрерывно вырабатывает периодически повторяющиеся импульсы на своих 2ⁿ выходах. Импульс на каждом следующем выходе задержан относительно импульса на предшествующем выходе на величину кванта времени T_о/2ⁿ⁺¹. На входные зажимы 8 и 12 поступает цифровой код временного интервала. Триггер 9 в исходном состоянии взведен, и на выходном зажиме 13 удерживается уровень напряжения логической "1".

В момент поступления запускающего сигнала на входной зажим 6 регистр 2 фиксирует текущие состояния выходов мультифазного генератора 1 импульсов, в счетчик 7 импульсов записывается исходное состояние, равное двоичному числу, присутствующему на входных зажимах 8 старших m разрядов цифрового кода временного интервала, а триггер 9 сбрасывается. На выходном зажиме 13 начинается формирование интервала времени в виде длительности импульса с "нулевым" рабочим уровнем.

Формирование временного интервала осуществляется путем последовательного вычитания импульсов счетчиком 7 импульсов от исходного записанного при запуске состояния. Источником вычитаемых импульсов служит один из выходов мультифазного генератора 1 импульсов, порядковый номер которого определяется сумматором 5 с помощью мультиплексора 3 и элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Длительность формируемого интервала времени складывается из полного числа периодов T_о мультифазного генератора 1 импульсов, задаваемого кодом на входных зажимах 8, и количества квантов времени T_о/2ⁿ⁺¹, задаваемых кодом на входных зажимах 12 и определяющих фазу вычитаемых счетчиком 7 импульсов.

Фиксация момента поступления запускающего сигнала производится регистром 2 по субшкале мультифазного генератора 1 импульсов путем определения порядкового номера выхода мультифазного генератора 1 импульсов, фронт импульса на котором совпадает во времени с моментом запуска. Выходной код регистра представляет собой подобие термометрического кода в виде двух частей, одна из которых состоит из одних "нулей", а вторая - из одних "единиц". Длина одной части составляет k двоичных разрядов, а длина другой части равна (2ⁿ-k) разрядов, причем k может принимать значения от 0 до 2ⁿ.

Если в младшем разряде регистра 2 зафиксирован "0", то код регистра выглядит как 0...01...1, и, следовательно, запускающий сигнал совпал во времени с моментом появления фронта импульса на том выходе мультифазного генератора 1 импульсов, где регистром 2 зафиксирована первая "1". Шифратор 4 образует номер этого выхода в виде двоичного числа на своих выходах. На вход первого слагаемого сумматора 5 это число передается одновременно с нулем младшего разряда регистра 2, которое воспринимается как значение старшего разряда зафиксированного номера выхода мультифазного генератора 1 импульсов. Зафиксированный (n+1)-разрядный номер лежит в пределах 0...(2ⁿ-1) и соответствует диапазону 0... π фазового сдвига по субшкале мультифазного генератора 1 импульсов.

Если в младшем разряде регистра 2 зафиксирована "1", то код регистра выглядит как 1...10...0, и, следовательно, запускающий сигнал совпал во времени с моментом появления спада импульса на том выходе мультифазного генератора 1 импульсов, где регистром 2 зафиксирована первый "0". Шифратор 4 образует номер этого выхода в виде двоичного числа на своих выходах. На вход первого слагаемого сумматора 5 это число передается одновременно с единицей с младшего разряда регистра 2, которое воспринимается как значение старшего разряда зафиксированного номера выхода мультифазного генератора 1 импульсов. В этом случае зафиксированный (n+1)-разрядный номер лежит в пределах 2ⁿ... (2ⁿ⁺¹-1) и соответствует диапазону π...2π фазового сдвига по субшкале мультифазного генератора 1 импульсов.

Младшие (n+1) разряды цифрового кода временного интервала, поступающие на входные зажимы 12, складываются в сумматоре 5 с выходным двоичным числом шифратора 4. В результате на выходах сумматора 5 образуется двоичное число, определяющее порядковый номер фазы мультифазного генератора 1 импульсов, которая будет соответствовать окончанию формируемого интервала времени. При суммировании чисел в сумматоре 5 либо не образуется, либо образуется сигнал переноса. В первом случае узел 11 сравнения настраивается на состояние 00... 00 счетчика 7 импульсов, так как именно при этой комбинации появляется "1" на выходе элемента 16 ИЛИ-НЕ. Во втором случае узел 11 сравнения настраивается на состояние 11...11, так как при этой комбинации сработает элемент 15 И. Таким образом, во втором случае узел 11 сравнения выполняет коррекцию числа отсчитываемых счетчиком 7 импульсов полных периодов T_o путем добавления одного периода T_o.

Когда в процессе вычитания импульсов счетчик 7 импульсов достигает конечного состояния 00...00 в отсутствии сигнала переноса сумматора 5 или 11.. . 11 при образовании в сумматоре 5 сигнала переноса узел 11 сравнения вырабатывает на своем выходе уровень логической "1", поэтому при появлении фронта следующего импульса на выходе элемента 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ триггер 9 взводится, завершая формирование интервала времени на выходном зажиме 13.

В том случае, если суммарная задержка распространения импульса через мультиплексор 3 и элемент 10 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ больше половины кванта времени T_o/2ⁿ⁺¹, цифровой код временного интервала на зажимах 12 может быть скорректирован в сторону уменьшения на соответствующее число квантов времени известными средствами, например, в процессе автоматической юстировки устройства под управлением микропроцессра.

Литература
1. Одновибратор. - Авт. свид. СССР N 1221712, кл. H 03 К 3/033.

2. Титце У. , Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. - М.: Мир, 1982, стр. 313, рис. 18.36.

3. Способ формирования импульса заданной длительности. - Авт. свид. СССР N 1287274, кл. H 03 К 5/135.

4. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Связь, 1973, с. 479, рис. 10.29.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: в 2-х т. Т. I. - М.: Мир, 1986, стр. 563, рис. 8.61.

Устройство для формирования управляемого цифровым кодом интервала времени используется при генерировании импульсов и их задержке. Принцип действия устройства основан на пересчете импульсов опорного генератора счетчиком (7) импульсов, нагруженным на выходной триггер. Период опорных импульсов дополнительно разбивается на множество частей - квантов времени благодаря выполнению опорного генератора в виде мультифазного генератора импульсов (МГИ) (1). Множества выходов МГИ (1) образуют при этом субшкалу отсчета времени в начале и конце формируемого интервала. Процесс отсчета временного интервала и цифровое управление его длительностью осуществляют дополнительно введенные блоки: регистр (2), шифратор (4), сумматор (3), мультиплексор (3), элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (10) и узел сравнения (11). Технический результат: повышение точности формируемого интервала времени. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для формирования импульсов переменной длительности, содержащее опорный генератор, счетчик импульсов, информационные входы которых соединены с входными зажимами цифрового кода временного интервала, а вход загрузки - с входным зажимом запускающего сигнала и входом сброса триггера, выход которого подключен к выходному зажиму устройства, отличающееся тем, что введены регистр, шифратор, сумматор, мультиплексор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и узел сравнения, а опорный генератор выполнен в виде мультифазного генератора импульсов, выходы которого соединены с соответствующими информационными входами мультиплексора и регистра, тактовый вход которого подключен к входному зажиму запускающего сигнала, при этом первый выход регистра соединен с входом старшего разряда первого слагаемого сумматора, а остальные выходы регистра через шифратор соединены с соответствующими разрядами первого слагаемого сумматора, входы второго слагаемого сумматора соединены с дополнительными входными зажимами цифрового кода временного интервала, группа выходов младших разрядов сумматора соединена с соответствующими адресными входами мультиплексора, выход старшего разряда сумматора соединен с одним входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, а выход переноса сумматора - с первым входом узла сравнения, остальные входы которого подключены к соответствующим выходам счетчика импульсов, другой вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом мультиплексора, а выход - с тактовыми входами счетчика импульсов и триггера, выход узла сравнения подключен к информационному входу триггера. 2. Устройство для формирования импульсов переменной длительности по п.1, отличающееся тем, что узел сравнения состоит из выходного элемента ИЛИ, входы которого соединены с выходами соответственно элементов И и ИЛИ-НЕ, объединенные первые входы которых являются первым входом узла сравнения, а соответственно объединенные оставшиеся входы - остальными входами узла сравнения.