ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ Российский патент 2005 года по МПК H03K3/86 H03L7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технике генерирования импульсов с автоматической подстройкой их частоты и может использоваться для стабилизации тактовой частоты цифровых устройств обработки информации.

Уровень техники

Стабилизация тактовой частоты цифровых измерительных и вычислительных устройств позволяет повысить их эффективность, в частности улучшить их помехоустойчивость за счет синхронизации с частотой питающей сети [1].

Для этой цели обычно применяются устройства автоподстройки частоты, в том числе цифровые устройства фазовой синхронизации, отличающиеся повышенной надежностью, точностью и стабильностью. Типовым представителем данного аналога является система цифровой фазовой синхронизации, описанная в [2] и включающая соединенные в кольцо цифровой фазовый детектор, дискретное усредняющее устройство, цифровой синтезатор частот в виде устройства добавления-исключения импульсов и делитель частоты. Устройство обеспечивает подстройку фазы выходных импульсов к фазе входных импульсов, а следовательно, и подстройку их частоты. Точность подстройки определяется дискретом перестройки периода генерируемых импульсов, который равен периоду опорного тактового генератора. Поэтому опорная частота устройства должна многократно превышать частоту генерируемых импульсов. Это является недостатком данного аналога, поскольку при генерировании высокочастотных импульсов не удается обеспечить чистоту спектра и равномерность следования импульсов. Другой недостаток аналога состоит в сложной структуре, обеспечивающей автоподстройку частоты путем автоподстройки фазы. В ряде случаев это свойство устройства является избыточным.

Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является генератор импульсов с цифровой перестройкой периода [3]. Данное устройство-прототип содержит последовательно соединенные инвертор и секционированную линию задержки, отводы которой подключены к соответствующим информационным входам мультиплексора. Выход мультиплексора, соединенный с выходным зажимом устройства, подключен также к входу инвертора. Кроме того, в устройстве имеется блок преобразования цифрового кода периода, входами связанный с соответствующими входными зажимами, а выходами - с соответствующими адресными входами мультиплексора. Устройство способно генерировать импульсы в широком диапазоне значений частоты, которые устанавливаются поступающим извне цифровым двоичным кодом.

Недостаток устройства-прототипа состоит в его неспособности осуществлять автоподстройку частоты генерируемых импульсов к частоте опорных сигналов, то есть в недостаточных функциональных возможностях. Еще один недостаток заключается в искажении формы генерируемого импульса в момент смены цифрового кода на входных зажимах. Такое искажение возможно в течение времени переключения мультиплексора и проявляется как короткий ложный импульс на выходном зажиме.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение искажений формы генерируемых импульсов и расширение функциональных возможностей генератора благодаря автоподстройке его частоты к частоте опорных сигналов. Указанная цель достигается путем введения цифровой цепи обратной связи по частоте через реверсивный счетчик импульсов с соответствующими формирователями его входных импульсов.

С этой целью в генератор импульсов, выполненный в виде цепи последовательно соединенных инвертора, основного и множества дополнительных элементов задержки, замкнутой в кольцо через мультиплексор, у которого выход присоединен к входу инвертора, а информационные входы - к выходам соответствующих основного и дополнительных элементов задержки, введен реверсивный счетчик импульсов и два формирователя коротких импульсов. При этом выходы реверсивного счетчика импульсов подключены к адресным входам мультиплексора, а его входы вычитания и суммирования через названные формирователи импульсов присоединены соответственно к входному и выходному зажимам устройства. Выход мультиплексора соединен с выходным зажимом устройства через логический фильтр.

Логический фильтр, который может состоять из инерционного звена первого порядка, нагруженного на триггер Шмитта, служит для устранения возможных при переключении мультиплексора коротких ложных импульсов на выходном зажиме устройства.

Основной элемент задержки в устройстве может быть выполнен в виде электромагнитной линии задержки либо в виде электронного элемента задержки предпочтительно с одинаковым временем задержки фронта и спада импульса. Дополнительными элементами задержки могут служить неинвертирующие логические элементы.

Принцип действия устройства основан на направленном изменении адреса мультиплексора под управлением реверсивного счетчика импульсов, что приводит к изменению числа дополнительных элементов задержки, участвующих в задержке сигнала обратной связи инвертора и, следовательно, к изменению частоты генерируемых импульсов.

На чертеже представлена функциональная электрическая схема генератора импульсов с автоподстройкой частоты в соответствии с настоящим изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Показанная на чертеже схема генератора импульсов с автоподстройкой частоты содержит последовательно соединенные инвертор 1, основной элемент 2 задержки и множество (в данном конкретном варианте исполнения семь) дополнительных элементов 3...9 задержки. Выходы основного 2 и дополнительных 3...9 элементов задержки подключены к информационным входам мультиплексора 10, своим выходом присоединенным к входам инвертора 1 и логического фильтра 11. Устройство включает также реверсивный счетчик 12 импульсов, вход вычитания которого через формирователь 13 импульсов соединен с входным зажимом 14, а вход суммирования через формирователь 15 импульсов - с выходным зажимом 16 и одновременно выходом мультиплексора 10.

Логический фильтр 11 в описываемом варианте осуществления состоит из последовательно соединенных инерционного RC-звена в составе резистора 17 и конденсатора 18, а также триггера 19 Шмитта. Благодаря гистерезису передаточной характеристики триггера 19 Шмитта он игнорирует короткие входные импульсы, которые предварительно сглаживаются RC-звеном 17, 18.

В схеме, изображенной на чертеже, мультиплексор 10 имеет n=8 информационных входов, число дополнительных элементов 3...9 задержки составляет (n-1)=7, а разрядность реверсивного счетчика 12 импульсов равна 3.

Устройство работает в следующем порядке.

Пусть в исходном состоянии на выходах реверсивного счетчика 12 импульсов (а, следовательно, и на адресных входах мультиплексора 10) имеется двоичное число k. Тогда мультиплексор 10 коммутирует к входу инвертора 1 выход подключенного к его k-му информационному входу дополнительного элемента задержки. При этом период T генерируемых импульсов на выходе мультиплексора равен

T=2(t_И+t_М+t_ЗО+kt_ЗД),

где t_И, t_М, t_ЗО и t_ЗД - времена задержки распространения соответственно инвертора 1, мультиплексора 10, основного 2 и одного из дополнительных 3...9 элементов задержки. В зависимости от значения адреса k период импульсов располагается в пределах от

T_min=2(t_И+t_М+t_ЗО)

до

Импульсы с выхода мультиплексора 10 поступают на выходной зажим 16 и через формирователь 15 импульсов проходят на вход суммирования реверсивного счетчика 12. Опорные сигналы, поступающие на входной зажим 14 и сокращенные по длительности формирователем 15 импульсов, проходят на вход вычитания реверсивного счетчика 12 импульсов. Частота F_O опорных сигналов для осуществления рабочего режима автоподстройки частоты должна быть в пределах

1/T_maxF_O≤1/T_min.

В режиме автоподстройки в зависимости от соотношения частот входных на зажиме 14 и выходных на зажиме 16 импульсов, которые поочередно поступают на соответствующие входы реверсивного счетчика 12 импульсов, состояние счетчика 12 постепенно изменяется, корректируя одновременно выходную частоту в направлении компенсации разности частот. Приращение с тем или иным знаком среднего состояния реверсивного счетчика 12 происходит в тех тактах работы, когда между двумя импульсами на одном его входе укладываются два импульса на другом входе. После достижения равенства частот устройство осуществляет режим слежения за входной частотой. В этом режиме импульсы поочередно поступают на входы вычитания и суммирования реверсивного счетчика 12, его состояние остается неизменным с погрешностью ±1, а смежные периоды генерируемых импульсов различаются не более чем на Δ_T=t_ЗД.

В моменты смены адреса мультиплексора 10 ввиду задержки переключения на его выходе возможен \дребезг\ в виде короткого импульса, который искажает форму выходного импульса. Логический фильтр 11 не успевает реагировать на короткие импульсы, поэтому прямоугольная форма импульса на выходном зажиме 16 не искажается. Собственная задержка логического фильтра 11 не отражается на динамике функционирования устройства.

Литература

1. Шляндин В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. Учебник для спец. \Информационно-измерительная техника\. - М.: Высшая школа, 1973, с.52...55.

2. Цифровые системы фазовой синхронизации. / М.И.Жодзишский, С.Ю.Сила-Новмицкий, В.А.Прасолов и др.; Под ред. М.И.Жодзишского. - М.: Сов. Радио, 1980, с.67, рис.1.31.

3. Генератор импульсов с цифровой перестройкой периода. Патент РФ №2170490, кл. Н 03 К 5/14 (прототип).

Изобретение относится к генерированию импульсов с автоматической подстройкой частоты для использования в системах связи и автоматики. Технический результат заключается устранение искажения выходных импульсов. Генератор импульсов, выполненный в виде цепи последовательно соединенных инвертора (И) (1), основного и множества дополнительных элементов задержки (ЭЗ) (2-9), замкнутой в кольцо через мультиплексор (10), у которого выход присоединен к входу И (1), а информационные входы - к выходам соответствующих ЭЗ (2-9), дополнен реверсивным счетчиком импульсов (СЧ) (12), формирователями импульсов (ФИ) (13, 15) и выходным логическим фильтром (11). СЧ (12) управляет частотой генератора, и его состояние зависит от отношения опорной и выходной частот. В процессе автоподстройки частоты происходит изменение состояния СЧ (12) в направлении, когда опорные и выходные импульсы начинают поступать поочередно. Устройство переходит в следящий режим с погрешностью, не превышающей времени одного из ЭЗ (2-9). 1 ил.

Генератор импульсов с автоподстройкой частоты, содержащий последовательно соединенные инвертор, основной элемент задержки и множество дополнительных элементов задержки, а также мультиплексор, присоединенный выходом к входу инвертора, а информационными входами - к выходам соответствующих основного и дополнительных элементов задержки, отличающийся тем, что в него введен реверсивный счетчик импульсов, выходы которого подключены к адресным входам мультиплексора, а входы вычитания и суммирования через соответствующие формирователи импульсов присоединены соответственно к входному и выходному зажимам устройства, при этом выход мультиплексора соединен с выходным зажимом устройства через логический фильтр.