УСТРОЙСТВО СИНХРОНИЗАЦИИ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2004 года по МПК H03K5/135 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники.

Известно устройство, которое описано в патенте США №3382455, кл. 331-111, 07.11.88. Устройство содержит цепочку логических элементов, выход каждого из которых соединен с двумя входами последующих элементов, каждый элемент входом подключен к выходам двух предыдущих, а шины управляющего и тактового сигнала подсоединены непосредственно к соответствующим входам одного из элементов, управляющая шина подключена через инвертор к входу другого элемента.

Недостаток такого устройства в том, что для синхронизации импульсов необходимо выполнять условие, по которому длительность импульса управления должна быть больше длительности тактовых импульсов, но меньше его периода. Длительность тактового импульса должна быть как можно короче. Такое условие определяет низкую надежность устройства из-за возможного сбоя синхронизации и уменьшает его функциональные возможности, так как используется только для формирования импульсов, а для синхронизации такое устройство можно использовать только после предварительной селекции импульсов.

Известно устройство по патенту №1226636, кл. Н 03 К 5/24 от 9 декабря 1992 г., которое может быть использовано для синхронизации импульсов. Такое устройство содержит элемент сравнения, соединенный с входом установки прямого выхода триггера типа RS и первым входом элемента совпадения И-НЕ, второй вход которого является тактовым входом, третий вход элемента И-НЕ соединен с прямым выходом триггера, выход элемента И-НЕ является выходом укороченного импульса синхронного тактовому и подключен к входу противоположной установки триггера.

Недостаток такого устройства в том, что для синхронизации импульсов необходимо выполнять условие, по которому длительность импульса управления должна быть больше длительности тактовых импульсов, но меньше его периода. Длительность тактового импульса должна быть чрезвычайно короткой. Такое условие снижает надежность устройства из-за возможного сбоя синхронизации и уменьшает его функциональные возможности, так как используется только для компарирования (сравнения) импульсов, а для синхронизации такое устройство можно использовать только с указанными ограничениями по времени поступления импульсов. Для обеспечения требуемых временных ограничений можно ввести селекторы на входах устройства, что усложняет его и снижает надежность.

Известно устройство для выделения тактового импульса по патенту №1525876, кл. Н 03 К 5/01, 5/153 от 9 декабря 1992 г., которое содержит D-триггер, выход которого соединен с выходной шиной, С и R-входы соединены с шиной тактовых импульсов, RS-триггер и шину управления, первый и второй формирователи импульсов, вход первого из которых соединен с шиной тактовых импульсов, выход - с R-входом RS-триггера, выход которого соединен с D-входом D-триггера, S-вход - через второй формирователь импульсов с шиной управления.

Такое устройство можно использовать для синхронизации импульсов, так как временные ограничения на синхронизируемые последовательности сняты, но даже в минимальном исполнении требуется одиннадцать элементов И-НЕ, что усложняет устройство и снижает его надежность. Кроме того, в таком устройстве не предусмотрено получение импульсов желаемой длительности синхронно с тактовыми импульсами, и это снижает его функциональные возможности. Кроме того, из-за формирования импульсов предельно минимальной длительности при минимальном исполнении устройства возможен сбой в работе по причине квантования уровней и не восприятия их последующими элементами И-НЕ, что дополнительно снижает надежность.

Наиболее близким техническим решением является устройство, которое описано в патенте №1221728, кл. Н 03 К 5/15, 3/284 от 9 декабря 1992 г.

Устройство содержит входную и выходную шины, шину тактовых импульсов, конденсатор, три элемента И-НЕ, первый вход первого и второй вход второго из которых подключены к входной шине, выход первого элемента соединен с первыми входами второго и третьего, выход второго элемента подключен к выходной шине и ко второму входу третьего, выход которого соединен со вторым входом первого, третий вход второго элемента служит для подачи тактовых импульсов, а конденсатор включен между выходами первого и третьего элементов.

Недостаток известного устройства в его недостаточной надежности и низких функциональных возможностях для обеспечения синхронизации нерегулярной последовательности входных (управляющих) импульсов к регулярной последовательности тактовых импульсов. Это объясняется тем, что для синхронизации импульсов необходимо выполнять условие, по которому длительность импульса управления должна быть больше длительности тактовых импульсов, но меньше его периода. Длительность тактового импульса должна быть достаточно короткой. Такое условие снижает надежность устройства из-за возможного сбоя синхронизации. Для выполнения синхронизации надежность такого устройства низкая, так как может привести к искажению периода получаемых на выходе импульсов, если длительность тактового импульса больше длительности импульса управления. Если же вместо выходных двух элементов И-НЕ, выполняющих функцию хранения результата сравнения от одного элемента И-НЕ, использовать более сложный триггер, срабатывающий, например, от фронта (среза) тактового импульса, то надежность будет снижена от усложнения устройства количеством элементов И-НЕ, которые потребуются для реализации только функций срабатывания такого триггера от фронта (среза) тактового импульса. Таким образом, известное устройство при малом количестве элементов И-НЕ требует ограничений по времени, накладываемых на междециальные интервалы синхронизируемых последовательностей импульсов, либо, при реализации устройства на большем количестве логических элементов И-НЕ, падает надежность от усложнения устройства этим количеством элементов и их связями.

Цель изобретения - повышение надежности и расширение функциональных возможностей путем оптимизации количества элементов И-НЕ и их связей для обеспечения синхронизации нерегулярной последовательности импульсов к тактовым импульсам с синхронным выделением полных тактовых импульсов и синхронно с ними импульсов желаемой (необходимой) длительности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство синхронизации импульсов, содержащее входную и выходную шины, шину тактовых импульсов, конденсатор, три элемента И-НЕ, первый вход первого и второй вход второго из которых подключены к входной шине, выход первого элемента соединен с первыми входами второго и третьего, выход второго элемента подключен к выходной шине и ко второму входу третьего, выход которого соединен со вторым входом первого, третий вход второго элемента соединен с шиной для подачи тактовых импульсов, а конденсатор включен между выходами первого и третьего элементов, введены элементы И-НЕ с четвертого по седьмой и две выходные шины синхронизированных тактовых импульсов, первая из которых соединена с выходом четвертого элемента и первым входом пятого элемента, выход которого подключен ко второй выходной шине синхронизированных тактовых импульсов и к первому входу четвертого элемента, второй вход которого соединен с выходной шиной и первым входом шестого элемента, второй вход которого подключен к выходу седьмого, первый вход которого соединен с входной шиной, а второй вход подключен к четвертому входу второго элемента и выходу шестого элемента, третий вход которого соединен со вторым входом пятого элемента и шиной тактовых импульсов.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства в базисе элементов И-НЕ, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство синхронизации импульсов содержит 1, 2,...,7 с первого по седьмой элементы И-НЕ, входную и выходную шины 8 и 9, две выходные шины синхронизированных тактовых импульсов 10 и 11, шину тактовых импульсов 12, конденсатор 13. Первый вход первого элемента 1 И-НЕ, второй вход второго элемента 2 И-НЕ и первый вход седьмого элемента 7 И-НЕ подключены к входной шине 8. Выход первого элемента И-НЕ соединен с обкладкой конденсатора 13, первым входом второго элемента 2 И-НЕ и первым входом третьего элемента 3 И-НЕ, выход которого подключен к другой обкладке конденсатора 13 и второму входу первого элемента 1 И-НЕ. Выход второго элемента 2 И-НЕ соединен со вторым входом третьего элемента 3 И-НЕ, со вторым входом четвертого элемента 4 И-НЕ, с первым входом шестого элемента 6 И-НЕ и выходной шиной 9. Третий вход второго элемента 2 И-НЕ, второй вход пятого элемента 5 И-НЕ и третий вход шестого элемента 6 И-НЕ соединены с входной шиной тактовых импульсов 12. Выход четвертого элемента 4 И-НЕ соединен с первой выходной шиной синхронизированных тактовых импульсов 10 и первым входом пятого элемента 5 И-НЕ, выход которого соединен со второй выходной шиной синхронизированных тактовых импульсов 11 и первым входом четвертого элемента 4 И-НЕ. Выход шестого элемента 6 И-НЕ соединен с четвертым входом второго элемента 2 И-НЕ и вторым входом седьмого элемента 7 И-НЕ, выход которого соединен со вторым входом шестого элемента 6 И-НЕ.

Устройство синхронизации импульсов работает следующим образом.

В исходном состоянии на выходах элементов 1, 2, 5, 6, 7 (фиг.2в, д, з, е, и) уровень логической единицы, а на выходах элементов 3 и 4 (фиг.2г, ж) - уровень логического нуля, в результате чего конденсатор 13 заряжается.

Если на шине 8 будет действовать единичный уровень (см. фиг.2б), то срабатывает элемент 7, на выходе которого имеет место нулевой уровень (фиг.2и), при этом на выходе элемента 6 - уровень логической единицы (фиг.2е).

При появлении на шине 12 (фиг.2а) единичного уровня на выходе элемента 2 имеет место нулевой уровень (фиг.2д), при этом на выходе элемента 4 - единичный уровень (фиг.2ж), а на выходе элемента 3 начнется повышение уровня (фиг.2г). Единичный уровень на выходе элемента 4 (фиг.2ж) изменяет состояние элемента 5, на выходе которого нулевой уровень (фиг.2з). Повышение уровня на выходе элемента 3 дает возможность изменить состояние элемента 1, однако из-за высокого потенциала обкладки конденсатора, подключенного к выходу элемента 1, такое изменение не вызывает изменения потенциала его выхода, а конденсатор 13 начинает свой перезаряд.

Как только перезаряд конденсатора 13 достигнет порога, сработает элемент 1 (фиг.2в), выходной уровень которого начнет понижаться до порога срабатывания элемента 2, который устанавливается в исходное единичное состояние. Таким образом, на выходе элемента 2 (фиг.2д), имеют место импульсы, длительность которых определяется перезарядом конденсатора 13 до порога срабатывания этого элемента 2.

По срезу тактового импульса на шине 12 (фиг.2а) элемент 5 изменяет свое состояние, на выходе которого единичный уровень (фиг.2з), возвращающий элемент 4 (фиг.1ж) в исходное состояние.

Таким образом, при появлении единичного уровня на шине 8, на выходе элемента 4 (фиг.2ж) выделяется полный тактовый импульс, а на выходе элемента 2 (фиг.2д) импульс, длительность которого определяется времязадающей емкостью конденсатора 13 и, следовательно, больше 3t, где t - время распространения сигнала в одном элементе И-НЕ.

По срезу входного импульса на шине 8 после действия тактового импульса на выходе элементов 1 и 7 появляются единичные уровни (фиг.2в, и). Единичный уровень на выходе элемента 1 после перезаряда конденсатора 13 устанавливает элемент 3 в нулевое состояние (фиг.2 г).

Фронт тактового импульса на шине 12 (фиг.2а), поступивший при нулевом уровне на шине 8 (фиг.2б), вызывает уровень нуля на выходе элемента 6 (фиг.2е), который блокирует элемент 2 в единичном состоянии. Если на шине 8 образуется единичный потенциал до окончания действия тактового импульса на шине 12, то это не приводит к изменению состояния элемента 7 (фиг.2и), так как элементы 6 и 7 образуют триггер с логикой 2И на входе и элемент 6 продолжает блокировать элемент 2 в единичном состоянии. Только после среза импульса на шине 12 элемент 6 (фиг.2е) приобретает единичный уровень и только по фронту следующего импульса на шине 8 элемент 7 переходит в ноль (фиг.2и), который блокирует элемент 6 в единичном положении (фиг.2е). Следовательно, выделения тактового импульса в этом случае не происходит, а в стадии приведения к исходному состоянию перезаряд конденсатора 13 не оказывает влияния на элементы 2 и 1, однако, будучи включенным в цепь обратной связи элемента 3, влияет лишь на форму его выходного сигнала. В этих случаях функцией элемента 3 является создание цепи перезаряда конденсатора 13, а форма выходного сигнала не носит определяющего значения. Выходной сигнал элемента 2 будет сформирован в зависимости от величины его порога и параметров интегрирующей цепи, собранной на элементе 1 и конденсаторе 13, а элемент 3 обеспечит работоспособность предлагаемого устройства синхронизации импульсов.

Возможен случай, когда на шине 8 единичный уровень, действующий после фронта тактового импульса на шине 12, изменится на уровень логического нуля до окончания перезаряда конденсатора 13. В этом случае на выходе элемента 2 имеет место нулевой уровень (фиг.2д), при этом на выходе элемента 4 образуется единичный потенциал (фиг.2ж), а на выходе элемента 3 начнется повышение уровня (фиг.2 г). Единичный уровень на выходе элемента 4 (фиг.2ж) изменяет состояние элемента 5, на выходе которого нулевой уровень (фиг.2з). Повышение уровня на выходе элемента 3 (фиг.2г) дает возможность изменить состояние элемента 1, однако из-за высокого потенциала обкладки конденсатора, подключенного к выходу элемента 1, такое изменение не вызывает изменения потенциала его выхода, а конденсатор 13 начинает свой перезаряд. Поскольку на шине 8 возник нулевой потенциал до окончания перезаряда конденсатора 13, то от действия уровня нуля на этой шине на выходе элемента 2 возникает единичный уровень, определяющий в этом случае длительность импульса на шине 9 (фиг.2д) до окончания переходов в элементах 3 и 1. В этом случае длительность импульса на выходе элемента 2 (фиг.2д) и на шине 9 зависит от уровня совпадения единичных потенциалов управляющего и тактового импульсов на шинах 8 и 12 и не квантуется с уровнем потенциала с выхода элемента 1 (фиг.2в).

Если импульс на шине 8 (фиг.2б) изменится с нулевого на единичный между срезом и фронтом соседних тактовых импульсов на шине 12 (фиг.2а), то импульсы с шины 12 выделены не будут, поскольку при нулевом уровне на шине 8 от фронта импульса на шине 12 сработает элемент 6, на выходе которого образуется нулевой уровень (фиг.2е), который, в свою очередь, блокирует элемент 2. По срезу тактового импульса с шины 12 элемент 6 возвращается в исходное состояние (фиг.2е).

Таким образом, при использовании всего семи элементов И-НЕ выделяют как полный тактовый импульс, так и длительностью более 3t, а при нулевом уровне на шине 8 импульсы с шины 12 выделены быть не могут. Надежность устройства в этом случае повышается не только за счет минимального количества элементов И-НЕ, но и за счет блокировки элемента 2 И-НЕ с выхода введенного элемента 6 И-НЕ, образующего с элементом 7 И-НЕ триггер с логикой 2И на входе , что предупреждает ложное появление выходного импульса, если фронт управляющего импульса опередит фронт тактового импульса. Такая блокировка снимает и ограничение на длительность тактового импульса и не позволяет за время его действия появиться повторным импульсам совпадений, являющимся ложными для синхронизации. Наличие времязадающего конденсатора, по сравнению с прототипом, обеспечивает не только получение желаемой длительности импульса, но и повышает надежность срабатывания элемента 4 И-НЕ, который, совместно с введенным элементом 5 И-НЕ, образуют простую бистабильную ячейку и позволяют выделить синхронно полный тактовый импульс, что расширяет функциональные возможности устройства. Если конденсатор 13 в устройстве прототипа повышал надежность формирования, а надежность синхронизации от него не зависела, то в предлагаемом устройстве конденсатор 13, совместно и благодаря блокирующему действию введенного элемента 6, повышает надежность синхронизации импульсов. Благодаря действию всей совокупности признаков предлагаемого устройства достигается тот технико-экономический эффект, который указан в цели изобретения.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть для использовано в устройствах автоматики, вычислительной и измерительной техники. Достигаемый технический результат - повышение надежности и расширение функциональных возможностей путем оптимизации количества элементов И-НЕ. Устройство содержит семь элементов И-НЕ (1-7), входную шину 8, выходные шины 9, 10 и 11, шину 12 тактовых импульсов, конденсатор 13. Введенные элементы 6 и 7 И-НЕ устраняют временные ограничения на синхронизируемые последовательности импульсов, а введенные элементы 4 и 5 И-НЕ позволяют сформировать полные синхронные тактовые импульсы. 2 ил.

Устройство синхронизации импульсов, содержащее входную и выходную шины, шину тактовых импульсов, конденсатор, три элемента И-НЕ, первый вход первого и второй вход второго из которых подключены к входной шине, выход первого элемента И-НЕ соединен с первыми входами второго и третьего элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ подключен к выходной шине и ко второму входу третьего элемента И-НЕ, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И-НЕ, третий вход второго элемента И-НЕ соединен с шиной для подачи тактовых импульсов, а конденсатор включен между выходами первого и третьего элементов И-НЕ, отличающееся тем, что введены элементы И-НЕ с четвертого по седьмой и две выходные шины синхронизированных тактовых импульсов, первая из которых соединена с выходом четвертого элемента И-НЕ и первым входом пятого элемента И-НЕ, выход которого подключен ко второй выходной шине синхронизированных тактовых импульсов и к первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вход которого соединен с выходной шиной и первым входом шестого элемента И-НЕ, второй вход которого подключен к выходу седьмого элемента И-НЕ, первый вход которого соединен с входной шиной, а второй вход подключен к четвертому входу второго элемента И-НЕ и выходу шестого элемента И-НЕ, третий вход которого соединен со вторым входом пятого элемента И-НЕ и шиной тактовых импульсов.