УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2005 года по МПК H03K5/01 H03K5/13 H03K5/19 H03K3/78 

Изобретение относится к импульсной цифровой технике, предназначено для формирования импульсов с требуемой длительностью по каждому из трех событий (при включении питания; по сигналу от замыкающей кнопки с подавлением дребезга; при обнаружении пропуска или зависания (прекращения изменения) входного импульсного сигнала при разрешении обнаружения) и может быть использовано, например, в качестве устройства [1] для обнаружения пропуска или зависания входных импульсов или устройства для формирования импульсов установки с функцией сторожевого таймера для начальной установки микропроцессорной системы обработки информации и управления, проектируемой с учетом следующих основных принципов [2]: программного (микропрограммного) управления, магистрального обмена информацией, модульного построения и наращивания вычислительной мощности.

Обычно такая система содержит модуль ядра системы, образованный кварцевым генератором синхроимпульсов, устройством для формирования импульсов начальной установки, микроконтроллером (или микропроцессором) и комбинированной памятью (ОЗУ+ПЗУ+РПЗУ), модули функционально ориентированных контроллеров и модемов для ввода-вывода информации в процессе взаимодействия системы с внешними объектами (пультом оператора, датчиками событий в объекте управления, исполнительными устройствами, смежными системами и т.п.), блок питания и системную магистраль для обмена информацией между модулями (функционально законченными составными частями системы) (см., например, [3], [4]). При включении питания формирователь импульсов начальной установки формирует импульс начальной установки включения (ИНУВ), длительность которого (на основе данных, приведенных, например, в [5, с.27, 28]) можно оценить соотношением

где

Ту.п.≥90 мс - время установки уровней напряжений источников вторичного питания;

Тr1≥50 мс - длительность ИНУВ после того, как напряжение уровней источников питания установится, т.е. Тr1 определяет минимальную величину реальной длительности сигнала СБРОС (RESET) при включении питания.

В процессе функционирования микропроцессорной системы по окончании каждого сигнала СБРОС (RESET) составные части ее приводятся в рабочее состояние (сбрасываются, инициализируются и тестируются) под управлением микроконтроллера.

В настоящее время Watchdog - сторожевой таймер приобретает все большую популярность у производителей микроконтроллеров. Например, в микроконтроллере AT89S8252 фирмы Atmel сторожевой таймер при включении аппаратуры инициируется записью в регистр WMCON кода PS[2:0] периода срабатывания таймера и бита WDTRST включения/сброса и предназначен для формирования сброса микроконтроллера на программно-аппаратном уровне (при WDTRST=1), если прикладная программа выполняет неконтролируемые действия, например “зависла” [6, с.107,108].

Следует заметить, что встроенный аппаратно-программный сторожевой таймер полезен, но в общем случае не позволяет полностью исключить “зависание” системы, поскольку при сбросе в микроконтроллере бита WDTRST из-за помехи микроконтроллер и далее может по помехам переинициализироваться и “зависнуть”. Кроме того, при установке из-за помехи в регистре PCON бита PD (или IDL) управления режимом микропотребления (или холостого хода) микроконтроллер “зависает” вообще (или на время отсутствия прерывания, или до прихода сигнала RESET) - см. [6, с.94, 95], причем выход из микропотребления может быть осуществлен только подачей на вход активного сигнала RESET - сброса (начальной установки) длительностью Тr2, определяемой ограничением

Таким образом, при построении типовой современной микропроцессорной системы, как обслуживаемой с оперативным доступом к кнопке СБРОС, так и необслуживаемой со сбросом при включении питания и доступом к кнопке СБРОС только в процессе отладки, актуальной является задача надежного автоматического обнаружения “зависания” прикладной программы ядра системы и ее перезапуска. В этой связи создание простого устройства для формирования импульсов СБРОС с надежным аппаратным обнаружением “зависания” прикладной программы ядра системы (например, за счет обнаружения пропуска или зависания входного импульсного сигнала, формируемого микроконтроллером программно с частотой следования импульсов, изменяющейся в определенных пределах) и выдачи импульсов СБРОС с требуемой длительностью (т.е. с учетом ограничения (1) при включении питания системы и ограничения (2) для формирования импульсов СБРОС или по сигналу от замыкающей кнопки с подавлением дребезга, или при обнаружении “зависания” прикладной программы) является актуальной технической задачей.

С точки зрения цифровой схемотехники предлагаемое устройство относится к “вспомогательным” элементам цифровых узлов и устройств [7], [8, с.24-34], которыми, в частности, являются обнаружители потери входных импульсов [1], управляемые генераторы импульсов ([7, рис.2.20 а], [8, рис.1.15], [9, рис.113, 114 ], [10, рис.2.39, 4.10], [11], [12]), устройства для подавления дребезга ([7, рис.2.20 д], [8, рис.3.18], [9, рис.98 а, б, в, д; рис.99 а, б, в; рис.100 а, б, в], [10, рис.2.41, 3.36], [13, рис. 5.11 а, б, в], [14], [15], [16]), формирователи импульса начальной установки по включению питания ([5, рис.2.7], [10, рис.2.38]), формирователи импульсов, огибающих серию импульсов, ([10, рис.3.33 - первые два варианта запуска одновибратора АГЗ с пояснением на рис.3.35г], [17]) и устройства для выделения одиночных импульсов ([18, рис.14-3], [19]-[23]), предназначенные для преобразования изменения асинхронного входного сигнала в синхронный выходной сигнал, совпадающий с соответствующим полупериодом (или периодом) входного тактового сигнала.

На основе простейших указанных выше “вспомогательных” устройств можно построить устройство с функциями предлагаемого. Однако такое устройство будет аккумулировать недостатки его составных частей, которыми являются узкая специализация или ограниченность их функциональных возможностей и аппаратурная сложность при использовании их для построения устройства для формирования импульсов начальной установки современной микропроцессорной системы.

Известно устройство [1], содержащее два элемента И, элемент задержки, элемент НЕ, регенератор импульсной последовательности (образован последовательно соединенными элементом ИЛИ, элементом задержки и формирователем, выполняющим функцию укорочения входного сигнала по длительности), элемент ИЛИ, счетчик, дешифратор, входы которого соединены с выходами счетчика, вход сброса которого соединен с выходом первого элемента И, входы которого соединены с выходами элемента задержки и элемента ИЛИ, вход импульсной последовательности, соединенный с первыми входами регенератора и элемента ИЛИ и связанный через элемент НЕ с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с входом элемента задержки и выходом регенератора, первый импульсный выход, соединенный с выходом второго элемента И, вторым входом регенератора и счетным входом счетчика, и второй импульсный выход, являющийся выходом дешифратора, который соединен с вторым входом элемента ИЛИ.

В исходном состоянии счетчик сброшен, каждый входной импульс с задержкой и укорочением проходит на выход регенератора и через элемент НЕ запрещает второй элемент И, а в случае потери импульса во входной последовательности второй элемент И пропускает импульс с выхода регенератора, т.е. формирует на первом выходе выходной импульс, соответствующий потерянному. Эти импульсы подсчитываются счетчиком и если число пропущенных импульсов достигнет порога, то дешифратор на втором выходе устройства формирует импульс, который через элемент ИЛИ и первый элемент И устанавливает счетчик в нулевое состояние.

Основным недостатком устройства [1] является то, что оно при значительной аппаратурной сложности имеет ограниченные возможности при выполнении своих функций, так как не обнаруживает потерю импульсов при включении питания и зависании сигнала на входе, поскольку в этом случае регенератор не запускается.

Известно устройство [14], построенное на базе трех триггеров (одного RS триггера и двух JK триггеров), элемента И и переключателя с замкнутым 2 и разомкнутым 3 контактами соответственно (или устройство [16], содержащее замыкающую кнопку, D-триггер, три резистора и два конденсатора). Основным недостатком устройства [14] (или [16]) является то, что оно при относительной аппаратурной сложности выполняет только функцию формирования одиночного импульса по каждому размыканию контакта 2 и замыканию контакта 3 (или функцию одноразрядного счетчика по каждому нажатию кнопки), и в каждом из этих устройств не предусмотрено выполнение функции формирования одиночного импульса при включении питания. Это ограничивает применение подобных технических решений даже в качестве простейших устройств формирования импульсов начальной установки при построении современных микропроцессорных систем.

Известно устройство [20], содержащее входы асинхронного и тактового сигналов, D-триггер, RS-триггер, два элемента И-НЕ, два элемента НЕ, Т-триггер, интегрирующую RC-цепь и выход, причем асинхронный вход соединен с информационным входом D-триггера, первым входом первого элемента И-НЕ и входом установки RS-триггера, выход которого соединен с вторым входом первого элемента И-НЕ, выход которого через первый элемент НЕ связан с управляющим входом Т-триггера, прямой выход которого является выходом устройства, вход тактового сигнала которого соединен с синхровходами D-триггера и Т-триггера, выход D-триггера соединен с первым входом второго элемента И-НЕ, инверсный выход Т-триггера соединен со вторым входом второго элемента И-НЕ и связан через второй элемент НЕ и интегрирующую RC-цепь с третьим входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с входом сброса RS-триггера.

Устройство [20] работает следующим образом.

В исходном состоянии при нулевом значении входного асинхронного сигнала RS-триггер установлен, D- и Т-триггеры сброшены, на выходах первого элемента НЕ и второго элемента И-НЕ установлены нулевой и единичный потенциалы соответственно. Переключение входного асинхронного сигнала с “0” на “1” в устройстве вызывает переключение на выходе первого элемента НЕ сигнала с “0” на “1”. Далее по первому срезу тактового входного сигнала триггеры D и Т устанавливаются, на выход устройство выставляет сигнал “1”, на первом и третьем (с задержкой, меньшей периода следования тактовых импульсов) входах второго элемента И-НЕ появляются сигналы “1”, а по второму срезу тактового входного сигнала Т-триггер сбрасывается, второй элемент И-НЕ формирует инверсный импульс (его длительность определяется, в основном, параметрами интегрирующей RC-цепи), сбрасывающий RS-триггер, с выхода которого сигнал логического “0” проходит через первые элементы И-НЕ и НЕ на управляющий вход Т-триггера и запрещает его функционирование по входному тактовому сигналу. Таким образом, по каждому изменению входного асинхронного сигнала из “0” в “1” и при сохранении этого состояния в течение не менее двух периодов частоты следования тактового входного сигнала устройство [20] обеспечивает генерацию одного импульса с длительностью, равной периоду следования тактового сигнала.

Основным недостатком устройства [20] является то, что оно при относительной аппаратурной сложности (содержит три триггера разных типов) имеет ограниченные функциональные возможности (выполняет только функцию формирования одиночного импульса по каждому изменению входного асинхронного сигнала с “0” на “1”), что обусловлено недостаточно полным использованием функциональных возможностей его составных частей.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является устройство [24], содержащее одновибратор (ждущий мультивибратор, образованный активным элементом, резистором и времязадающей RC-цепью, подключенной к двум входам активного элемента и к шине источника питания, связанной через резистор с входом запуска активного элемента, являющимся инверсным входом запуска одновибратора, прямой и инверсный выходы которого являются прямым и инверсным выходами активного элемента), прямой и инверсный выходы, являющиеся прямым и инверсным выходами одновибратора, и замыкающую кнопку, первый контакт которой соединен с общей шиной, а второй контакт соединен с инверсным входом запуска одновибратора.

Устройство [24] на одновибраторе (с перезапуском или без перезапуска) с большим временем выдержки (порядка нескольких десятых долей секунды) надежно подавляет паразитные импульсы, возникающие из-за дребезга контактов, и формирует идеальные импульсы на любое нажатие замыкающей кнопки.

Известно [8, с.117], что дребезг контактов замыкающей кнопки длительностью 1...10 мс возникает как при нажатии, так и при отпускании. В этой связи основным недостатком устройства [24] является ограниченность его функциональных возможностей, так как оно не вырабатывает выходной сигнал по включению питания и неоднозначно формирует выходной сигнал в зависимости от длительности времени нажатия кнопки, поскольку данное устройство при длительности времени нажатия, меньшей (или большей) времени выдержки одновибратора, вырабатывает один импульс (или два импульса, т.е. первый по нажатию, а второй по отпусканию кнопки).

Предлагаемым изобретением решается задача комплексного расширения функциональных возможностей устройства за счет формирования выходного импульса при включении питания с учетом ограничения (1) и обеспечения возможности выполнения устройством функции аппаратного сторожевого таймера при разрешении формирования выходного импульса с учетом ограничения (2) при пропуске или зависании импульсов входного импульсного сигнала, поступающего на устройство, например, от микроконтроллера микропроцессорной системы.

Для достижения этого технического результата в устройство для формирования импульсов, содержащее первый одновибратор с перезапуском, прямой и инверсный выходы формируемого импульса и замыкающую кнопку, первый контакт которой соединен с общей шиной, введены триггер, второй одновибратор с перезапуском, формирователь сигнала по включению питания и от кнопки, вход которого соединен с вторым контактом замыкающей кнопки, а выход подключен к асинхронному инверсному входу установки триггера, первый элемент И-НЕ, первый вход которого соединен с инверсным выходом первого одновибратора, второй элемент И-НЕ, первый вход которого соединен с информационным входом триггера и инверсными выходами триггера и устройства, прямой выход которого является прямым выходом триггера, элемент И, первый вход которого соединен с инверсным выходом второго одновибратора, управляемый генератор импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом элемента И, а импульсный выход соединен с синхровходом триггера и инверсным входом сброса второго одновибратора, вход импульсного сигнала, являющийся прямым входом запуска первого одновибратора, и управляющий вход, являющийся вторым входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента И, причем инверсные входы запуска обоих одновибраторов соединены с общей шиной устройства, шина Логической 1 которого соединена с инверсными входами сброса триггера и первого одновибратора и прямым входом запуска второго одновибратора.

Автору неизвестны технические решения, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам (введение триггера, второго одновибратора с перезапуском, формирователя сигнала по включению питания и от кнопки, двух элементов И-НЕ, элемента И, управляемого генератора импульсов, входа импульсного сигнала и управляющего входа) предлагаемого устройства, которые (по сравнению с прототипом [24]) комплексно расширяют функциональные возможности устройства за счет как формирования выходного импульса при включении питания, так и обеспечения возможности выполнения устройством функции аппаратного сторожевого таймера при разрешении формирования выходного импульса при пропуске или зависании импульсов входного импульсного сигнала, поступающего на устройство, например, от микроконтроллера обслуживаемой или необслуживаемой микропроцессорной системы.

На чертеже приведена функциональная схема устройства для формирования импульсов, содержащего первый одновибратор 1 с перезапуском, прямой и инверсный выходы формируемого импульса, замыкающую кнопку 2, первый контакт которой соединен с общей шиной устройства, триггер 3, второй одновибратор 4 с перезапуском, формирователь 5 сигнала по включению питания и от кнопки, вход которого соединен со вторым контактом замыкающей кнопки, а выход соединен с асинхронным инверсным входом установки триггера 3, первый элемент 6 И-НЕ, первый вход которого соединен с инверсным выходом одновибратора 1, второй элемент 7 И-НЕ, первый вход которого соединен с информационным входом триггера 3 и инверсными выходами триггера 3 и устройства, прямой выход которого является прямым выходом триггера 3, элемент 8 И, первый вход которого соединен с инверсным выходом одновибратора 4, управляемый генератор 9 импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом элемента 8 И, а импульсный выход соединен с синхровходом триггера 3 и инверсным входом сброса одновибратора 4, вход 10 импульсного сигнала, являющийся прямым входом запуска одновибратора 1, и управляющий вход 11, являющийся вторым входом элемента 6 И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента 7 И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента 8 И, инверсные входы запуска одновибраторов 1 и 4 соединены с общей шиной устройства, шина Логической 1 которого соединена с инверсными входами сброса одновибратора 1 и триггера 3 и прямым входом запуска одновибратора 4.

Возможный вариант формирователя 5 реализован как фильтр нижних частот на основе технического решения [13, с.160, рис.5.11а] и содержит первый конденсатор 12, первый 13 и второй 14 резисторы, диод 15, вход, соединенный с первыми выводами резисторов 13 и 14, и выход соединенный с первым выводом конденсатора 12, вторым выводом резистора 13 и анодом диода 15, катод которого соединен со вторым выводом резистора 14 и шиной источника питания устройства, общая шина которого соединена со вторым выводом конденсатора 12.

Генератор 9 выполнен на основе технического решения [9, с.62, рис.113] и содержит элемент 16 логического повторения сигнала на базе элемента И, третий элемент 17 И-НЕ, третий 18 и четвертый 19 резисторы, второй конденсатор 20, управляющий вход, являющийся первым входом элемента 17 И-НЕ, и импульсный выход, соединенный с первым выводом резистора 18 и выходом элемента 17 И-НЕ, второй вход которого соединен с первым выводом конденсатора 20 и выходом элемента 16, входы которого соединены с первым выводом резистора 19, второй вывод которого соединен со вторыми выводами резистора 18 и конденсатора 20.

Триггер 3 и все логические элементы устройства выполнены на КМОП интегральных микросхемах серии 1554 (триггер 3 занимает 0,5 микросхемы ТМ2, элементы 6, 7 и 17 И-НЕ занимают 0,75 микросхемы ЛА3, элементы 8 и 16 И занимают 0,5 микросхемы ЛИ1), функционирующей в диапазоне напряжений питания от +2 до +6 В и входным током от минус 1 до +1 мкА - см., например, [25, с.15 и на с.21 табл.3.1]. В этой связи в формирователь 5 введен диод 15 для ускорения разряда конденсатора 12 при выключении питания и уменьшения разрядного тока через защитный диод по входу установки триггера 3 как части интегральной КМОП-схемы 1554ТМ2, а в генератор 9 введен резистор 19 по рекомендации [13, с.155] для уменьшения токов, протекающих при перезарядке конденсатора 20 через защитные диоды элемента 16 И интегральной КМОП-схемы 1554ЛИ1.

Каждый одновибратор 1 (или 4) реализован на половине интегральной ТТЛ-схемы АГЗ, например, серии 1533 (или 533), согласующем резисторе и времязадающих конденсаторе и резисторе, причем первый вывод времязадающего конденсатора подключен к одному из входов “С” микросхемы, соответствующий “RC” вход которой соединен со вторым выводом конденсатора и первым выводом времязадающего резистора, второй вывод которого соединен с шиной напряжения питания и первым выводом согласующего резистора, второй вывод которого соединен с инверсным выходом одновибратора 1 (или 4), являющимся соответствующим инверсным выходом микросхемы, соответствующие входы которой являются инверсным входом сброса и прямым и инверсным входами запуска одновибратора 1 (или 4), в котором согласующий резистор служит для сопряжения ТТЛ-выхода с первым КМОП-входом элемента 6 (или 8).

Далее описание работы устройства ведется с помощью системы положений и обозначений, определенных в следующих пунктах.

1. Используется модифицированный язык описания логических функций ABEL, в котором операторы “И”, “ИЛИ” и “НЕ” имеют обозначения “&”, “#” и “!” (или “N”) соответственно.

2. Сигналы на входах 10 и 11 обозначим через СХ10 и X11 соответственно, а прямой (или инверсный) сигнал на выходе любого элемента устройства обозначим через Yj (или NYj), где j - номер элемента устройства на фигуре. Например, Y3 и NY3 - сигналы, вырабатываемые соответственно на прямом и инверсном выходах триггера 3 (т.е. на выходах устройства). Длительности единичных сигналов NY3=0, NY4=0, NY5=0 и NY9=0 обозначим через Т3, Т4, Т5 и Т9 соответственно.

3. Под фронтом или срезом любого сигнала (прямого или инверсного) понимается смена логического состояния этого сигнала из “0” в “1” или из “1” в “0” соответственно.

4. Одновибратор 1 запускается (или перезапускается) по фронту тактового сигнала СХ10, а по фронту импульса NY9=NY17 генератора 9 запускается одновибратор 4 и при NY5=1 триггер 3 переключается в противоположное состояние, а при NY5=0 триггер 3 асинхронно установлен и вырабатывает сигналы Y3=1 и NY3=0.

5. Согласно [10, с.118] для одновибратора 1 (или 4) длительность Т генерируемого импульса оценивается по формуле

а перезапуск одновибратора 1 возможен только, когда период Т10 импульсного сигнала СХ10 удовлетворяет ограничению

где

С - величина емкости времязадающего конденсатора;

R - величина сопротивления времязадающего резистора, находящаяся в пределах от 5,1 кОм до 51 кОм;

• - здесь и далее оператор арифметической операции умножения.

Временной интервал Т или Т10 измеряется в микросекундах, если емкость С измеряется в нанофарадах, сопротивление R - в кОм.

6. При построении устройств, содержащих интегрирующую RC-цепь и/или укорачивающую CR-цепь, подключенную к входу логического элемента, возникает задача оценки времени срабатывания Тер. логического элемента при изменении сигнала на входе RC (или СR)-цепи с “0” на “1” или наоборот из “1” в “0”. Легко видеть, что время Тер. определяется постоянной времени Т=С•R цепи и порогом Uпop. срабатывания логического элемента, который для КМОП элемента близок к половине напряжения Uпит. питания (см., например, [9, с.58])

где

≈ - здесь и далее знак приближенного равенства.

Согласно [25, с.67, 68], с учетом (5), время Тcр. можно оценить по формуле

как для укорачивающей цепи, так и для интегрирующей цепи, поскольку активная длительность выходного импульса укорачивающей цепи измеряется на уровне, составляющем половину от амплитудного, а для интегрирующей цепи формула (6) определяет время изменения выходного сигнала цепи от исходного уровня до уровня, составляющего половину от скачкообразного изменения входного сигнала.

С учетом принятой системы положений и обозначений опишем сначала работу составных частей устройства или их некоторых совокупностей, а затем его функционирование в целом.

Одновибратор 1 работает как формирователь огибающей входного импульсного сигнала СХ10 (см. [10, с.116 рис.3.33 - первый вариант запуска одновибратора АГЗ с пояснением рис.3.35г на с.118]) при выполнении ограничения

где Т и Т10 определены выражениями (3) и (4) соответственно. При выполнении ограничения (7) в одновибраторе реализуется свойство перезапуска, заключающееся в том, что с каждым новым фронтом сигнала СХ10 одновибратор 1 начинает отсчет нового времени выдержки Т независимо от того, закончилось ли предыдущее время выдержки. В этой связи одновибратор 1 по сигналу СХ10 функционирует так, что вырабатывает выходной сигнал NY1=0 при частоте следования f=1/T10 сигнала СХ10, удовлетворяющего ограничению (7), в противном случае в сигнале NY1 появляются переходы из “0” в “1” и наоборот из “1” в “0”, а при зависании (неизменном сигнале СХ10=0 или СХ10=1) одновибратор 1 выставляет сигнал NY1=1.

Формирователь 5 при включении питания и от кнопки 2 работает следующим образом.

При выключенном питании конденсатор 12 разряжен и при разомкнутой кнопке 2 и включении напряжения питания начинает заряжаться через сопротивление (R13 + R14) с постоянной времени Т12=С12•(R13+R14) и формировать выходной сигнал UC12=U5, оцениваемый по отношению к входу установки триггера 3 как цифровой сигнал NY5, согласно выражениям

Из (1), (6) и (8) следует, что величины С12, R13 и R14 нужно выбирать из условия

где

Т5вкл. - длительность времени после включения Uпит., в течение которого триггер 3, согласно (8), воспринимает с выхода формирователя 5 напряжение U5 как цифровой сигнал NY5=0.

По окончании переходного процесса включения питания на конденсаторе С12 устанавливается напряжение UC12≈Uпит.≈+5В, а при нажатии кнопки 2 конденсатор С12 разряжается через резистор R13 и кнопку 2, замкнутую на общую шину. В этом случае функционирование формирователя 5 можно описать выражениями

где

Тдр. - длительность времени дребезга кнопки 2 при нажатии или отпускании.

Из (6), (11) и (12) следует, что для устранения дребезга контактов кнопки 2 величины С12 и R13 можно выбирать на основе ограничения

При выключении питания конденсатор С12 быстро разряжается через диод 15 и защитный диод триггера 3 по входу установки.

Триггер 3 по сигналам NY5 и NY9 функционирует следующим образом. При NY5=0 триггер 3 фиксируется в единичном состоянии (вырабатывает на прямом и инверсном выходах сигналы Y3=1 и NY3=0 соответственно), а при NY5=1 триггер 3 по фронту сигнала NY9 переключается в противоположное состояние.

Одновибратор 4 запускается по каждому фронту сигнала NY9 (см. в [10, на с.116 рис.3.33 - третий вариант запуска одновибратора АГЗ]) и вырабатывает сигнал NY4=0 в течение времени

Элементы 6, 7 и 8 по сигналам X11, NY1, NY3 и NY4 вырабатывают сигнал Y8 управления генератором 9 согласно выражению

так, что Y8=1 при NY4=1 и Y3=1 или (X11&NY1)=1, а во всех остальных случаях Y8=0 и при X11=0

При Y8=0 на выходе генератора 9 вырабатывается сигнал NY9=NY17=1, элемент 16 вырабатывает сигнал Y16=1, конденсатор 20 разряжен (т.е. UC20≈0 В), поскольку U16≈U17≈Uпит.≈+5B, где U16 и U17 - напряжения на выходах элементов 16 и 17 соответственно. Напряжение UC20 измеряется здесь и далее на втором выводе конденсатора С20 относительно его первого вывода, соединенного с выходом элемента 16. С изменением сигнала Y8 из “0” в “1” разрешается работа генератора 9, элементы 17 и 16 вырабатывают соответственно напряжения U17≈0 В (т.е. NY17=0) и U16≈+5B (т.е. Y16=1) и на вход элемента 16 через резистор 19 поступает сигнал U16≈+5B с укорачивающей RC-цепи (С20 и R18). В этой связи при Y8=1 через время Т9 длительности импульса NY9=0, оцениваемое выражением

срабатывают элементы 16 и 17 (вырабатывают напряжения U16≈0В и U17≈+5B), запускается одновибратор 4, вырабатывает сигнал NY4=0 длительностью Т4, который через элемент 8 фиксирует элемент 17 генератора 9 в состоянии NY17=1. Таким образом, при U17≈+5B, U16≈0В и UC20=-Uпор.≈-2,5 В начинается процесс восстановления генератора 9 в исходное состояние по напряжению U17≈+5В, состоящий из двух этапов. На первом этапе происходит перезарядка конденсатора С20 от “-Uпop.” до “+Uпop.” и срабатывание элемента 16, заключающееся в установлении на его выходе напряжения U16≈+5B, а на втором этапе происходит изменение напряжения на конденсаторе С20 от UC20=+Uпop. до UC20≈0В и возврат генератора 9 в исходное состояние.

В устройстве можно выделить управляемый сигналом Y7 кольцевой автогенератор (одновибратор 4, элемент 8, генератор 9), генерация которого при Y7=0 запрещена, а при Y7=1 разрешена так, что по каждому фронту сигнала Y8=NY4=1 запускается генератор 9 и формирует импульс NY9=0 длительностью Т9, по каждому фронту которого запускается одновибратор 4 и формирует импульс NY4=0 длительностью Т4>>Т9, см. (14) и (17).

На основании изложенного выше опишем последовательно функционирование устройства в целом при возникновении каждого из следующих трех событий: включении напряжения питания; замыкании кнопки 2; обнаружении пропуска или зависания входного импульсного сигнала СХ10 при X11=1, разрешающем обнаружение.

Перед началом включения Uпит.=UC12=0 В, NY5=0 и кнопка 2 разомкнута. С включением питания через несколько десятков миллисекунд при достижении Uпит. значения >2В триггер 3 начинает устойчиво работать и по сигналу NY5=0, длительностью Т5вкл.=(Ти.п.+Тr1)>140 мс (см. (10) и (1)), триггер 3 фиксируется в единичном состоянии и вырабатывает прямой Y3=1 и инверсный NY3=0 выходные сигналы устройства. Затем через время Ти.п.≥90 мс Uпит. практически устанавливается (т.е. определяется выражением Uпит.=+(5±0,5)В≈+5 В) и начинается период Tr1≥50 мс при NY5=0, начиная с которого все составные части устройства работают стабильно следующим образом.

В течение Тr1 по сигналам NY3=0 и NY4 элементы 7 и 8 формируют сигнал Y8=NY4 разрешения функционирования кольцевого автогенератора (одновибратора 4, элемента 8 и генератор 9) с периодом

следования импульсов NY9 (или NY4) так, что по фронту каждого сигнала NY9=0 (или Y8=NY4=0) длительностью Т9 (или Т4) запускается одновибратор 4 (или генератор 9). В некоторый момент времени по окончании Тr1 триггер 3 воспринимает с выхода формирователя 5 напряжение U5 как цифровой сигнал NY5=1 и по фронту очередного импульса NY9=0 запускающего одновибратор 4 переключится из “1” в “0” и выставит на прямом и инверсном выходах устройства сигналы Y3=0 и NY3=1 соответственно.

Микропроцессорная система воспринимает выходной сигнал Y3 (и/или NY3) как прямой (и/или инверсный) сигнал СБРОСА (RESET), по окончании которого она может инициализироваться в течение времени Тин.<Т4 (см. (14)) так, что при X11=1 микроконтроллер системы начинает программно вырабатывать импульсный сигнал СХ10, поступающий на вход 10 устройства. При корректном функционировании ядра системы период Т10 частоты f следования импульсов сигнала СХ10 должен удовлетворять ограничению (7). При удовлетворении частоты f импульсов сигнала СХ10 ограничению (7) одновибратор 1 формирует сигнал NY1=0, элемент 6 - сигнал Y6=(!Х11#Y1)=1, элемент 7 при NY3=1 - сигнал X7=(!Y6#Y3)=0, разрывающий кольцо автогенератора запрещением прохождения через элемент 8 фронта сигнала NY4=0, так как этот фронт вырабатывается уже при Y7=0.

Таким образом, по окончании описанного процесса включения напряжения питания Uпит. и корректном функционировании микропроцессорной системы (или при X11=0) устройство переходит в устойчивое состояние (УС)

Если устройство находится в устойчивом состоянии (19), то при нажатии кнопки 2 в течение времени Т2наж.>30мс≥3•Тдр. примерно через время Тдр.+0,7•С12•R13 формирователь 5 формирует сигнал NY5=0, который в течение времени Т5наж.>10 мс (см. (11), (12), (13)) асинхронно устанавливает триггер 3. По сигналу NY3=0 триггера 3 элемент 7 выставляет сигнал Y7=1, разрешающий работу кольцевого автогенератора (генератора 9, элемента 8, одновибратора 4). Далее устройство функционирует аналогично как при включении напряжения питания, начиная с периода Тr1 и сохранением единичного состояния триггера 3 в течение времени

При X11=1 устройство, находясь в устойчивом состоянии (19) при ненажатой кнопке 2, функционирует как аппаратный сторожевой таймер, так, что при неудовлетворении длительности периода Т10 частоты следования импульсов входного импульсного сигнала СХ10 ограничению (7) одновибратор 1 переключается в режим ожидания и выставляет сигнал NY1=1, который через элементы 6 и 7 разрешает работу кольцевого автогенератора (одновибратора 4, элемента 8, генератора 9), по фронтам импульсов NY9=0 которого триггер 3 переключается так, что по первому импульсу он установится на время

выработки прямого и инверсного сигнала СБРОС (Y3=1, NY3=0), а по второму переключится в нулевое состояние и перезапустит микропроцессорную систему. Дальнейшее функционирование устройства (при Uпит.≈+5 В и не нажатой кнопке 2) полностью определяется поведением импульсного сигнала СХ10 как функции времени, программно формируемой микроконтроллером микропроцессорной системы.

Обнаружение одновибратором 1 пропуска или зависания импульсного сигнала СХ10 (формирование одновибратором 1 сигнала NY1=1) при X11=0 устройство не отрабатывает. Это позволяет в процессе отладки микропроцессорной системы функционировать системе от эмулятора микроконтроллера в пошаговом режиме при сигнале X11=0, запрещающем работу устройства как аппаратного сторожевого таймера.

Таким образом, предлагаемое устройство, благодаря его существенным признакам, имеет более широкие функциональные возможности за счет как формирования выходного импульса при включении питания с учетом ограничения (1), реализованного в виде ограничения (10), так и обеспечения возможности выполнения устройством функции аппаратного сторожевого таймера разрешением формирования выходного импульса при X11=1 с учетом ограничения (2), реализованного в виде ограничения (21) при пропуске или зависании импульсов входного импульсного сигнала СХ10, поступающего на устройство, например, от микроконтроллера микропроцессорной системы. В этой связи данное устройство можно непосредственно использовать при построении обслуживаемых и необслуживаемых современных микропроцессорных систем, а также, при X11=1, можно применять в качестве устройства типа [1] для обнаружения пропуска и зависания входных импульсов.

Литература

1. А.с. 1157070, Н 03 К 5/13, 5/19, СССР. Устройство для обнаружения потери импульса / А.Б.Кац и А.С.Креславский. - Опубл. 1985. Бюл. №19.

2. Ушкар М.Н. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре / под ред. Б.Ф.Высоцкого - М.: Радио и связь, 1988. - 128.: “Принципы построения микропроцессорных средств”, с.5-12.

3. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 304 с. “Типичная структура микропроцессорного устройства (системы)” - с.11-14.

4. Патент на изобретение RU №2159952, G 06 F 3/00, 13/00, 11/18. Устройство для ввода информации / Е.Ф Киселев и Ю.П.Палочкин. - Опубл. 2000. Бюл. №33.

5. Сташин В.В. и др. Пректирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В.Сташин, А.В.Урусов, О.Ф.Мологонцева. - М: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

6. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. - М.: Издательство ЭКОМ, 2002. - 400 с.

7. Схемотехника ЭВМ. Под ред. Г.Н.Соловьева. - М.: Высш. шк., 1985. - 391 с. “Вспомогательные схемы на логических ИС”, - с.59, 60.

8. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 528 с.

9. Бирюков С.А. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1990. - 128 с.

10. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379 с. (Современная схемотехника).

11. А.с. 711668, Н 03 К 1/00, СССР. Управляемый генератор импульсов / В.И.Педик, В.И.Дроздов и Б.М.Хархалис. - Опубл. 1980. Бюл. №3.

12. А.с. 83396, G 06 F. Управляемый генератор синхроимпульсов / Ю.П.Рукоданов, В.Б.Путилов и Д.И.Кревский. - Опубл. 1981. Бюл. №10.

13. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1988. - 304 с.

14. А.с. 725209, Н 03 K 3/79, СССР. Формирователь импульсов / В.А.Ртищев. - Опубл. 1980. Бюл. №12.

15. А.с. 731562, Н 03 K 3/286, СССР. Устройство для устранения влияния дребезга контактов/ В.А. Матюшевский. - Опубл. 1980. Бюл. №16.

16. А.с. 1132353, Н 03 K 5/01, СССР. Устройство для подавления дребезга / Ю.Г.Цогоев. - Опубл. 1984. Бюл. №48.

17. А.с. 1020986, Н 03 K 5/156, СССР. Формирователь импульсов, огибающих серию импульсов / А.М.Гамбург и Е.К.Иосипов. - Опубл. 1983. Бюл. №20.

18. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной технике. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние. 1986. - 280 с.

19. А.с. 645249, Н 03 К 5/01. Устройство для выделения импульсов из непрерывной импульсной последовательности / И.Л.Абросимов. - Опубл. 1979. Бюл. №4.

20. А.с. 711670, Н 03 К 3/78. Устройство для генерации одиночных импульсов / Н.Н.Косойкин. - Опубл. 1980. Бюл. №3.

21. А.с. 1061254, Н 03 К 5/01. Устройство для выделения одиночного импульса / А.В.Коханый. - Опубл. 1983. Бюл. №46.

22. А.с. 1144187, Н 03 К 5/01. Устройство для выделения одиночного импульса / И.А.Рогачевский, Б.М.Сирота и А.В.Шинкаренко. - Опубл. 1985. Бюл. №9.

23. А.с. 1160550, Н 03 К 5/135. Формирователь одиночного импульса / Г.Ю.Козодаев и С.К.Харин. - Опубл. 1985. Бюл. №21.

24. “Использование одновибратора для подавления дребезга контактов кнопки” - с.119, рис.3.36 в книге: Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379 с. (Современная схемотехника). Прототип.

25. И.И.Петровский, А.В.Прибыльский, А.А.Троян, B.C.Чувелев. Логические ИС КР1533, КР1554. Справочник. В двух частях. Часть 1. - ТОО “БИНОМ”, 1993. - 254 с.

26. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства: Учеб. Пособие для вузов по спец. “Радиотехника”. - М: Высш. шк. 1989. - 527 с.

Изобретение относится к импульсной цифровой технике для формирования импульсов требуемой длительности по каждому из трех событий: при включении питания, по сигналу замыкающей кнопки с подавлением дребезга, при обнаружении пропуска или прекращения изменения входных импульсов при разрешении обнаружения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет формирования выходного импульса при включении питания и выполнения функции аппаратного сторожевого таймера, реализуемой в процессе прямого и обратного автоматического взаимодействия с микроконтроллером системы. Устройство содержит первый и второй одновибраторы с перезапуском (1, 4), замыкающую кнопку (2), триггер (3), формирователь (5) сигнала по включению питания и от кнопки на конденсаторе (12), резисторах (13, 14), диоде (15), два элемента И-НЕ (6, 7), элемент И (8), управляемый генератор импульсов (УГИ) (9), вход Логической 1, вход импульсного сигнала (10), управляющий вход (11). УГИ (9) выполнен на элементе И (16), И-НЕ (17), резисторах (18, 19), конденсаторе (20). 1 ил.

Устройство для формирования импульсов, содержащее первый одновибратор с перезапуском, прямой и инверсный выходы формируемого импульса и замыкающую кнопку, первый контакт которой соединен с общей шиной устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит триггер, второй одновибратор с перезапуском, формирователь сигнала по включению питания и от кнопки, вход которого соединен с вторым контактом замыкающей кнопки, а выход соединен с асинхронным инверсным входом установки триггера, первый элемент И-НЕ, первый вход которого соединен с инверсным выходом первого одновибратора, второй элемент И-НЕ, первый вход которого соединен с информационным входом триггера и инверсными выходами триггера и устройства, прямой выход которого соединен с прямым выходом триггера, элемент И, первый вход которого соединен с инверсным выходом второго одновибратора, управляемый генератор импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом элемента И, а импульсный выход соединен с синхровходом триггера и входом сброса второго одновибратора, вход импульсного сигнала, являющийся прямым входом запуска первого одновибратора, и управляющий вход, являющийся вторым входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом элемента И, причем инверсные входы запуска обоих одновибраторов соединены с общей шиной устройства, шина Логической I устройства соединена с инверсными входами сброса триггера и первого одновибратора, и прямым входом запуска второго одновибратора.