ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2004 года по МПК H03K3/28 

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

Известен генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР №1095360 от 13.04.82, МКИ: Н 03 К 3/28, "Мультивибратор", автор В.Ф. Голоколосов, опубл. 30.05.84, бюл. №20), содержащий два инвертора, выход первого из которых через первый конденсатор соединен с входом второго инвертора, а выход второго инвертора через второй конденсатор соединен с входом первого инвертора, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй резисторы, третий конденсатор. Первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ соединен с входом первого инвертора и через первый резистор - с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с входом второго инвертора и через второй резистор - с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ. Выход логического элемента ИЛИ-НЕ через третий конденсатор подключен к общей шине генератора импульсов.

Недостатком данного генератора импульсов является его низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.

Известен генератор импульсов (см. Справочник по микроэлектронной импульсной технике, авторы В.Н. Яковлев и др., Киев: Технiка, 1983, стр.216, рис 9.3а), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и выбран в качестве прототипа, содержащий первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, первый и второй конденсаторы, первый и второй диоды, первый и второй резисторы, первый и второй выходы, шину источника питания. Первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с первым выводом первого резистора, с анодом первого диода и через первый конденсатор - с вторым входом первого элемента ИЛИ-НЕ и с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ. Первый вход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с первым выводом второго резистора, с анодом второго диода и через второй конденсатор - с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ. Катоды первого и второго диодов и вторые выводы первого и второго резисторов соединены с шиной источника питания. Выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ являются соответственно первым и вторым выходами генератора импульсов.

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех. Воздействуя по цепи питания или по входам логических элементов ИЛИ-НЕ, такая помеха может привести к сбою генератора импульсов, выражающемуся в изменении фазы его генерации, приводящему к уменьшению длительности формируемого периода колебаний. Пусть, например, генератор импульсов находится в состоянии, когда на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ действует сигнал "лог. 1″, тогда на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ и на втором входе первого элемента ИЛИ-НЕ действует сигнал "лог. 0", первый конденсатор заряжается через первый резистор от источника питания, при этом на первом входе первого элемента ИЛИ-НЕ - сигнал "лог. 0"; второй конденсатор разряжен, при этом на обоих входах второго элемента ИЛИ-НЕ - сигнал "лог. 1″. Если напряжение помехи, кратковременно воздействуя, например, по цепи первого входа первого элемента ИЛИ-НЕ, вызовет его переключение в состояние "лог. 0" на выходе, сигнал "лог. 0" будет действовать по обоим входам второго элемента ИЛИ-НЕ, на выходе последнего появится сигнал "лог. 1", подтверждающий состояние первого логического элемента ИЛИ-НЕ после прекращения сигнала помехи. Генератор импульсов перейдет в новое состояние, которое продлится до тех пор, пока второй конденсатор не зарядится до напряжения, равного порогу переключения второго элемента ИЛИ-НЕ по первому входу. Если сбой генератора произойдет в момент времени, когда второй конденсатор еще полностью не разряжен, то последующий формируемый полупериод колебаний также будет меньше нормального. Таким образом, под действием напряжения помехи генератор импульсов может несанкционированно изменить фазу колебаний, длительность формируемого в это время периода колебаний за счет этого уменьшается (за счет уменьшения как текущего, так и следующего полупериодов).

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение помехоустойчивости генератора импульсов в условиях высокоинтенсивных электрических помех.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе импульсов, содержащем первый логический элемент, второй логический элемент ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с первым выводом первого конденсатора и через первый резистор - с катодом первого диода, а второй вход соединен с выходом первого логического элемента, вход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и с первым выводом второго резистора, второй диод, новым является введение элемента И-НЕ, первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третьего конденсатора, третьего и четвертого резисторов, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода, с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ и с первым входом элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с первым выводом третьего конденсатора и через третий резистор - с анодом второго диода и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом первого диода, вторые выводы первого, второго и третьего конденсаторов соединены с общей шиной, выходы элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого логического элемента, а выход соединен с вторым выводом второго резистора, первый логический элемент выполнен в виде инвертора на базе триггера Шмитта.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить помехоустойчивость генератора импульсов за счет разделения между его элементами функций формирования задержки и коммутации состояний и выполнения коммутатора состояний в виде помехоустойчивой структуры.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов; на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Генератор импульсов содержит элемент 1 И-НЕ, элемент 2 ИЛИ-НЕ, первый 3 и второй 4 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор 5, выполненный на базе триггера Шмитта, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9 резисторы, первый 10, второй 11, третий 12 конденсаторы, первый 13, второй 14 диоды, общую шину 15. Первый вход элемента 1 соединен с первым выводом конденсатора 10 и через резистор 6 - с анодом диода 13 и с первым выводом резистора 7. Первый вход элемента 2 соединен с первым выводом конденсатора 11 и через резистор 8 - с катодом диода 14 и с вторым выводом резистора 7. Вторые входы элементов 1 и 2 объединены и соединены с катодом диода 13, с анодом диода 14, с выходом инвертора 5 и с первым входом элемента 4, второй вход которого соединен с выходом элемента 3. Выходы элементов 1 и 2 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента 3. Выход элемента 4 через резистор 9 соединен с входом инвертора 5 и с первым выводом конденсатора 12. Вторые выводы конденсаторов 10, 11, 12 соединены с общей шиной 15. В качестве выходов генератора импульсов могут использоваться выходы инвертора 5 (ВЫХ 1) и элемента 4 (ВЫХ 2).

Генератор импульсов работает следующим образом. При включении напряжения питания (цепи питания элементов 1, 2, 3, 4 и инвертора 5 на фиг.1 для простоты не показаны) на входе инвертора 5 за счет разряженного конденсатора 12 некоторое время удерживается потенциал "лог. 0", тогда на выходе инвертора 5 - сигнал "лог. 1". Под действием этого сигнала, поступающего на вторые входы элементов 1 и 2, на выходе элемента 2 поддерживается сигнал "лог.0" независимо от сигнала на первом входе элемента 2. Конденсатор 10 начинает заряжаться по цепи: выход инвертора 5, диод 14, резисторы 7, 6, шина 15. Конденсатор 11 начинает заряжаться по цепи: выход инвертора 5, диод 14, резистор 8, шина 15. Поскольку величина сопротивления защитных резисторов 6 и 8, как правило, выбирается много меньше величины времязадающего резистора 7, конденсатор 11 сравнительно быстро зарядится до напряжения, близкого к величине напряжения питания схемы (Е). Конденсатор 10 также стремится зарядиться до напряжения, близкого к величине напряжения питания Е, но скорость его заряда существенно меньше. Соответственно, напряжение на конденсаторе 10 равно напряжению на первом входе элемента 1 (см. временную диаграмму 16, фиг.2, интервал времени 0-t₁), напряжение на конденсаторе 11 равно напряжению на первом входе элемента 2 (см. временную диаграмму 17, фиг.2, интервал времени 0-t₁). В течение интервала времени 0–t₁ на выходах элементов 1 и 2 присутствуют сигналы соответственно "лог. 1" и "лог. 0", тогда на выходе элемента 3 - сигнал "лог. 1", на выходе элемента 4 - сигнал "лог. 0", который через резистор 9 поддерживает разряженное состояние конденсатора 12 и сигнал "лог. 1" на выходе инвертора 5 (см. временную диаграмму 18, фиг.2, интервал времени 0–t₁).

При достижении в момент времени t_l напряжением на первом входе элемента 1 значения, равного порогу переключения элемента 1 (U_пop1), сигнал на выходе последнего изменяется на "лог. 0", соответственно изменяются сигналы на выходах элементов 3 ("лог. 0") и 4 ("лог. 1"). Конденсатор 12 через резистор 9 начинает заряжаться, стремясь к значению, примерно равному Е. С задержкой, определяемой зарядом конденсатора 12, инвертор 5 переключается, на его выходе и на вторых входах элементов 1 и 2 появляется сигнал "лог. 0", в результате этого на выходе элемента 1 сигнал изменяется на "лог. 1", на выходе элемента 2 сохраняется сигнал "лог. 0", поскольку на его первом входе - сигнал "лог. 1" с заряженного конденсатора 11. На выходе элемента 3 восстанавливается сигнал "лог. 1", который превращает управляемый коммутатор состояний, составленный из элемента 4 и инвертора 5, в устойчивую триггерную структуру с состоянием "лог. 0" на выходе инвертора 3. Благодаря тому, что на входе инвертора 5 включена интегрирующая цепь (резистор 9, конденсатор 12), а инвертор 5 выполнен на базе триггера Шмитта (следовательно, имеет гистерезис по порогу переключения, характеризующийся тем, что порог, при котором инвертор переключается в состояние с "лог. 0" на выходе, выше, чем порог, при котором инвертор переключается в состояние с "лог. 1" на выходе), в процессе переключения управляемого коммутатора состояний (элемент 4, инвертор 5) на его выходах исключается паразитная высокочастотная генерация, характерная для усилительных каскадов, охваченных отрицательной обратной связью. Именно такую структуру представляет собой управляемый коммутатор состояний при переключении. Таким образом в схеме осуществляется устойчивость к воздействию внутренних помех, возникающих при переключении генератора импульсов.

Далее, на интервале времени t₁-t₂, происходит разряд конденсаторов 10, 11 через диод 13 и выход инвертора 5, при этом конденсатор 10 разряжается через резистор 6, конденсатор 11 - через резисторы 8 и 7, в результате разряд конденсатора 10 будет происходить значительно быстрее, чем разряд конденсатора 11. При достижении в момент времени t2 напряжением на первом входе элемента 2 значения, равного порогу переключения этого элемента (U_пop2), сигнал на выходе последнего изменяется на "лог. 1", сигнал на выходе элемента 1 сохраняется ("лог. 1"), поскольку на его втором входе в рассматриваемом интервале времени присутствует сигнал "лог.0". В соответствии с этим изменятся сигналы на выходах элементов 3 ("лог. 0") и 4 ("лог. 0"). С задержкой, определяемой интегрирующей цепью (резистор 9, конденсатор 12), инвертор 5 переключится в состояние с "лог.1" на выходе, после чего начнется очередной заряд конденсаторов 10 и 11. В интервале времени t₂-t₃ сигналом "лог. 1" на втором входе элемент 2 блокирован, и текущий полупериод колебаний формируется конденсатором 10. В дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Устойчивость генератора импульсов к воздействию внешних электрических помех, как следует из описания его работы, также обеспечивается устойчивостью к указанным помехам управляемого коммутатора состояний (структура, составленная из элемента 4 и инвертора 5). Действительно, если кратковременный импульс помехи изменит состояние элементов 1 или 2, или 3, или 4, или инвертора 5, или нескольких элементов одновременно, управляемый коммутатор тут же восстановит состояние сбившегося элемента (элементов), поскольку состояние коммутатора является помехоустойчивым, если длительность помехи не превышает постоянную времени интегрирующей цепи, составленной из резистора 9 и конденсатора 12.

Таким образом, из описания работы генератора импульсов следует, что он обладает устойчивостью к воздействию коротких высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.

Испытания лабораторного макета генератора импульсов подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого устройства.

Изобретение относится к импульсной технике. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости в условиях высокоинтенсивных электрических помех (ЭП). Гнератор импульсов (ГИ) содержит элемент 1 И-НЕ, элемент 2 ИЛИ-НЕ, элементы 3, 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор (И) 5, выполненный на базе триггера Шмитта, резисторы (Р) 6-9, конденсаторы (К) 10-12, диоды 13, 14, общую шину 15. Устойчивость ГИ к воздействию внешних ЭП обеспечивается устойчивостью к ЭП управляемого коммутатора (УК) на базе элемента 4 и И 5. Если кратковременный импульс ЭП изменит состояние элементов 1 или 2, или 3, или 4, или И 5, или нескольких одновременно, то УК тут же восстановит состояние сбившегося элемента (элементов), поскольку состояние УК является помехоустойчивым, если длительность ЭП не превышает постоянную времени интегрирующей цепи Р 9, К 12. 2 ил.

Генератор импульсов, содержащий первый логический элемент, второй логический элемент ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с первым выводом первого конденсатора и через первый резистор - с катодом первого диода, а второй вход соединен с выходом первого логического элемента, вход которого соединен с первым выводом второго конденсатора и с первым выводом второго резистора, второй диод, отличающийся тем, что введены элемент И-НЕ, первый и второй элементы Исключающее ИЛИ, третий конденсатор, третий и четвертый резисторы, причем анод первого диода соединен с катодом второго диода, с вторым входом элемента ИЛИ-НЕ и с первым входом элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с первым выводом третьего конденсатора и через третий резистор - с анодом второго диода и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с катодом первого диода, вторые выводы первого, второго и третьего конденсаторов соединены с общей шиной, выходы элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ соединены соответственно с первым и вторым входами первого элемента Исключающее ИЛИ, выход которого соединен с первым входом второго элемента Исключающее ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого логического элемента, а выход соединен с вторым выводом второго резистора, первый логический элемент выполнен в виде инвертора на базе триггера Шмитта.