ФОРМИРОВАТЕЛЬ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ИМПУЛЬСА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ Российский патент 2012 года по МПК H03K4/00 H03K5/15 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначается в основном для формирования прямоугольных импульсов с изменяемой длительностью в устройствах радиоавтоматики и системах автоматического управления летательными аппаратами.

Системы автоматического управления летательными аппаратами (ЛА), состоящие из радиотехнических и нерадиотехнических средств различного функционального назначения (автопилотов, средств радиоуправления, инерциальной навигации и др.), составляют основу современных пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) ЛА. Одним из наиболее перспективных путей повышения эффективности функционирования таких ПНК является совместное (комбинированное, комплексированное) применение различных средств, входящих в их состав. Такое применение требует формирования на борту ЛА множества стробирующих и управляющих импульсов различной длительности (от сотен миллисекунд до единиц-десятков секунд) с возможностью раздельного управления положением передних и задних фронтов формируемых импульсов, необходимых для синхронизации процессов как самостоятельного, так и совместного использования средств из состава ПНК.

Поэтому формирование прямоугольных импульсов с изменяемой длительностью является одной из важных задач подсистемы синхронизации автоматизированной бортовой системы управления ЛА и его авиационным оборудованием.

Формирование прямоугольных импульсов возможно на основе применения элементов как аналоговой, так и цифровой техники, а также и при их совместном использовании. В настоящее время наиболее часто в формирователях импульсов применяются аналоговые и цифровые микросхемы.

Известен формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ), содержащий последовательно соединенные триггер Шмитта (ТШ) и источник колебаний произвольной формы (ИКПФ). Последний представляет собой, по существу, источник переменного напряжения (гармонического, ступенчатого и др.). В таком ФПИ характеристика передачи триггера Шмитта имеет гистерезис, что обусловливает наличие двух пороговых уровней срабатывания при изменении входного сигнала: при достижении напряжения на входе U_cpб триггер скачком переходит в высокоуровневое состояние на выходе, а при уменьшении входного напряжения до U_отп триггер возвращается в исходное состояние. Такой триггер не может выполнять функции элемента памяти и поэтому не применяется в регистрах и счетчиках. Рассматриваемый формирователь используется, в основном, для преобразования импульсов с пологими фронтом и срезом в импульсы с крутыми фронтами, пригодные для переключения тактовых входов триггеров, регистров, счетчиков. Тактовая частота таких импульсов, как правило, составляет 40-80 МГц, а длительность импульсов - десятки наносекунд [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, с.122 (Массовая радиобиблиотека; Вып.1143), Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - с.52 (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)].

Недостатком такого формирователя прямоугольных импульсов является невозможность формирования импульсов большой длительности (от сотен миллисекунд до единиц-десятков секунд) с использованием стандартных ИКПФ (генераторов стандартных сигналов, различных преобразователей напряжений).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ), содержащий последовательно соединенные триггер Шмитта (ТШ) и источник колебаний произвольной формы (ИКПФ), создающий на входе триггера колокольнообразное напряжение (полуволну гармонического сигнала) [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, с.122 (Массовая радиобиблиотека; Вып.1143)]. При увеличении входного напряжения до величины порога срабатывания ТШ U_cрб триггер скачком переходит в высокоуровневое состояние на выходе и сохраняет такое состояние до момента времени, когда входное напряжение не уменьшится до величины порога отпускания ТШ U_отп. После этого триггер возвращается в исходное (низкоуровневое) состояние. Таким образом на выходе устройства формируется прямоугольный импульс, длительность которого определяется входным напряжением.

Однако недостатком этого формирователя является то, что для получения импульсов большой длительности необходимо использовать специальный ИКПФ, создающий на интервале времени, соответствующем требуемой длительности импульса, два перепада напряжения: первый, когда входной сигнал превышает порог срабатывания U_cpб ТШ (начало импульса); второй, когда входной сигнал становится меньше, чем напряжение отпускания U_отп триггера. При этом требуется создание фактически нового технического устройства, задающего параметры формируемого импульса. Однако в этом случае теряется исходная возможность формирования коротких (нано- и микросекундных) импульсов. Кроме того, отсутствует возможность раздельного управления положением переднего и заднего фронтов формируемого импульса.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности изменения длительности импульса в широких пределах (от сотен миллисекунд до единиц-десятков секунд) путем раздельного управления положением переднего и заднего фронтов формируемого импульса за счет использования в формирователе прямоугольного импульса новых каналов формирования управляющего воздействия на триггер, задающих и изменяющих временные параметры импульса, а также средств преобразования постоянного напряжения и коммутации элементов формирователя.

Поставленная задача решается за счет того, что в известный формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью, содержащий триггер Шмитта и источник колебаний произвольной формы (ИКПФ), дополнительно введены последовательно соединенные источник постоянного напряжения (ИЛИ), делитель напряжения, перемножитель сигналов (ПС), второй триггер Шмитта и вычитающее устройство (ВУ), которое является выходом формирователя, а также последовательно соединенные второй делитель напряжения, к входу которого подключен второй выход ИПН, и интегратор, выход которого соединен со вторым входом ПС, а также введены два переключателя П1 и П2 с контактами на два положения каждый, первые контакты которых подсоединены к ИКПФ и к другому выходу формирователя соответственно, а ко вторым контактам переключателей подключены выход интегратора и вход первого триггера Шмитта, и второй вход ВУ и выход первого триггера Шмитта соответственно.

Техническое решение обладает новыми свойствами:

- универсальностью, выражающейся в способности формировать прямоугольный импульс как большой (сотни миллисекунд-единицы-десятки секунд), так и малой длительности (десятки наносекунд) в зависимости от положения групп контактов переключателей П1 и П2;

- возможностью регулировать в широких пределах длительность формируемого прямоугольного импульса за счет изменения величины напряжений, снимаемых с делителей напряжений;

- возможностью раздельного регулирования положения переднего и заднего фронта формируемого импульса за счет использования отдельных каналов управления этими фронтами.

При этом использование двух режимов формирования импульса позволяет использовать устройство не только для целей синхронизации совместной работы различного оборудования, но и для управления элементами цифровой (вычислительной) техники (счетчиками, регистрами, дешифраторами и др.).

На фиг.1 представлена структурная схема формирователя прямоугольного импульса с изменяемой длительностью. На фиг.2 приведена временная диаграмма функционирования формирователя прямоугольного импульса с изменяемой длительностью.

Формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью (фиг.1) содержит вычитающее устройство 1, выполненное в виде типового сумматора на интегральной микросхеме (ИМС) прецизионного операционного усилителя (ОУ) КМ551УД1А [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.50-53], два триггера Шмитта 2.1 и 2.2, выполненных в цифровом виде на ИМС К155ТЛ1 (в одном корпусе), два переключателя 3.1 и 3.2 на два положения каждый, выполненные, например, в виде электромагнитного или электронного реле с соответствующим числом нормально-разомкнутых (замкнутых) контактов на основе микросхемы электронного коммутатора 435КН2 [Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие. - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989, 240 с.: ил. - (Массовая радиобиблиотека; вып.1143), с.68], перемножитель сигналов 4, выполненный на ИМС высокоточного аналогового перемножителя КМ525ПСЗА [Воробьев В.П., Сенин К.В. Интегральные микросхемы производства СССР и их зарубежные аналоги: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990, с.112-113], два делителя напряжения 5.1 и 5.2, выполненные в виде типовых ступенчатых резисторных делителей напряжения на ИМС К260НЕ1 каждый, интегратор 6, выполненный по типовой схеме на ИМС ОУ КР140УДЗ, источник постоянного напряжения 7, который может быть выполнен в виде типового стабилизированного источника питания напряжением 5 В [Хейзерман Д. Применение интегральных схем: Пер. с англ. - М.: Мир, 1984, с.22], источник колебаний произвольной формы 8, причем источник постоянного напряжения (ИПН), делитель напряжения, перемножитель сигналов (ПС), второй триггер Шмитта и вычитающее устройство (ВУ) соединены последовательно, а также последовательно соединены второй делитель напряжения, к входу которого подключен второй выход ИПН, и интегратор, выход которого соединен со вторым входом ПС, а также введены два переключателя П1 и П2 с контактами на два положения каждый, первые контакты которых подсоединены к ИКПФ и к другому выходу формирователя соответственно, а ко вторым контактам переключателей подключены выход интегратора и вход первого триггера Шмитта, и второй вход ВУ и выход первого триггера Шмитта соответственно, причем выход ВУ является одним из выходов формирователя.

Таким образом, заявленный формирователь прямоугольного импульса обеспечивает формирование прямоугольных импульсов большой (сотни миллисекунд-единицы-десятки секунд) и малой длительности (десятки наносекунд) в зависимости от положения группы контактов переключателей 3.1, 3.2 и возможность регулировать в широких пределах длительность формируемого прямоугольного импульса с раздельным управлением положением переднего и заднего фронтов формируемого импульса за счет изменения величины напряжений, снимаемых с делителей напряжений 5.1 и 5.2.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам предлагаемого формирователя прямоугольного импульса с изменяемой длительностью. Выбор из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к сформулированному техническому результату признаков в заявленной системе управления, которые изложены в формуле изобретения. Поэтому заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен поиск и анализ известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками предлагаемого формирователя прямоугольного импульса с изменяемой длительностью. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем. Заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

дополнение известного средства каким-либо известным блоком, присоединяемым к нему по известным правилам, для достижения технического результата;

замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата;

увеличение однотипных элементов для достижения сформулированного технического результата;

создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между ними осуществлены по известным правилам, а достигнутый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связями между ними.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого технического решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.

Формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью работает в двух режимах: 1. Формирование прямоугольного импульса большой длительности с возможностью ее изменения. 2. Формирование прямоугольного импульса малой длительности, определяемой длительностью сигнала источника колебаний произвольной формы.

В первом режиме формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью работает следующим образом. После установки переключателей 3.1 и 3.2 в положение 2 (контактные группы переводятся в положение 2) напряжение ИПН 7 U_ипн поступает на входы делителей напряжения 5.1 и 5.2, с выходов которых снимаются напряжения U_д1 и U_д2 соответственно. Величина этих напряжений зависит от выбранного с помощью переключателя делителя (на фиг.1 он не показан, т.к. является составной частью регулируемого делителя) коэффициента передачи делителей (от отношения напряжения снимаемого с выбранной ступени делителя к напряжению, действующему на входе делителя). Далее напряжение U_д1 с выхода делителя 5.2 подается на вход интегратора 6, на выходе которого формируется линейно нарастающее напряжение U_и с угловым коэффициентом, равным коэффициенту деления делителя 5.2. Это напряжение с выхода интегратора 6 подается через контакт 2 контактной группы переключателя 3.1 на вход триггера 2.1 и при достижении U_и значения порога срабатывания триггера 2.1 U_cpб происходит переключение триггера из исходного состояния (с низким уровнем) на высокоуровневое состояние U_тш1. Одновременно напряжение с выхода интегратора 6 поступает на вход перемножителя сигналов 4. На второй вход ПС 4 поступает напряжение с делителя напряжения 5.1. В ПС 4, после перемножения этих напряжений, формируется линейно нарастающее напряжение U_пс, но с другим (меньшим) угловым коэффициентом. Это напряжение подается на вход триггера 2.2 и при достижении U_пс значения порога срабатывания триггера 2.2 U_cpб опрокидывает триггер, на его выходе устанавливается высокоуровневое состояние U_тш2. Выходной сигнал триггера 2.2 подается на вычитающее устройство ВУ1, где он вычитается из сигнала триггера 2.1, поступившего на второй вход ВУ1 через контакт 2 контактной группы переключателя 3.2. В результате этой операции на выходе ВУ1 формируется напряжение U_ву (фиг.2) в виде прямоугольного импульса, длительность которого определяется установленными величинами напряжений, снимаемых с делителей напряжений 5.1 и 5.2, а положение переднего и заднего фронтов импульса может изменяться раздельным регулированием выходных напряжений делителей 5.1 и 5.2 соответственно.

Во втором режиме формирователь прямоугольного импульса работает следующим образом. После установки переключателей 3.1 и 3.2 в положение 1 (контактные группы переводятся в положение 1) напряжение от ИКПФ 8, например в виде положительной полуволны гармонического сигнала, через контакт 1 переключателя 3.1 поступает на вход триггера 2.1. При достижении входным напряжением величины порога срабатывания U_cpб триггера 2.1 он меняет состояние своего выхода с низкоуровневого на высокоуровневое и такое состояние сохраняется до того момента, когда входное напряжение не уменьшится до значения, равного порогу отпускания триггера U_отп. В этот момент происходит переключение триггера 2.1 и высокоуровневое состояние его выхода изменяется на низкоуровневое. Таким образом, за время действия сигнала с ИКПФ8 на выходе триггера 2.1 формируется прямоугольный импульс с крутыми фронтами, длительность которого определяется длительностью входного сигнала.

Для исследования характеристик предлагаемого формирователя прямоугольных импульсов на основе структурной схемы (фиг.1) было проведено математическое имитационное моделирование процесса его функционирования с использованием пакета прикладных программ (ППП) Mathcad, а также машинное макетирование предлагаемого устройства с использованием ППП Samsim. С их использованием были оценены временные характеристики прямоугольного импульса на выходе предлагаемого формирователя, триггер Шмитта которого построен на ИМС К155ТЛ1 [Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. - с.52 - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1111)].

При этом в качестве временных характеристик импульса рассматривались длительность импульса τ_и и положения его фронтов (переднего t_ф и заднего t_c), a режимы работы формирователя задавались положениями переключателей 3.1, 3.2 и значениями коэффициентов деления К_д1 и К_д2 делителей напряжения 5.1 и 5.2 соответственно.

Считалось, что с ИПН на делители поступает напряжение равное 1 В, а с ИКПФ на вход ТШ - положительная полуволна переменного напряжения частотой 50 Гц амплитудой 3 В, значения порогов триггера равны: U_cpб=1.7 В, U_отп=0.9 В.

Результаты моделирования приведены в таблице, где представлены значения временных характеристики формирователя прямоугольных импульсов с изменяемой длительностью для двух режимов его работы.

Анализ полученных результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет сформировать прямоугольный импульс большой длительности (от 150 мс до 76.5 с и более) с возможностью управления положением переднего и заднего фронтов импульса, что превышает возможности прототипа по длительности формируемого импульса на 2-3 порядка и при этом не требуется внешний источник переменного (импульсного) напряжения, а достаточно наличия только низковольтного источника постоянного напряжения.

Изложенные сведения свидетельствуют о возможности выполнения при реализации заявленного формирователя прямоугольного импульса следующей совокупности условий:

предлагаемый формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью при его реализации позволит обеспечить создание прямоугольного импульса как большой (сотни миллисекунд-единицы-десятки секунд), так и малой длительности (десятки наносекунд-единицы миллисекунд) в интересах управления (стробирования, синхронизации и др.) различными техническими средствами;

показана возможность реализации на практике заявленного формирователя прямоугольного импульса с изменяемой длительностью в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

предлагаемый формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью при его разработке способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования прямоугольных импульсов с изменяемой длительностью в устройствах радиоавтоматики и системах автоматического управления летательными аппаратами. Техническим результатом является обеспечение возможности изменения длительности импульса в пределах от сотен миллисекунд до единиц-десятков секунд путем раздельного управления положением переднего и заднего фронтов формируемого импульса. Устройство содержит два триггера Шмитта, источник колебаний произвольной формы, два переключателя на два положения, источник постоянного напряжения, два делителя напряжения, интегратор, перемножитель сигналов и вычитающее устройство. 2 ил., 1 табл.

Формирователь прямоугольного импульса с изменяемой длительностью, содержащий триггер Шмитта и источник колебаний произвольной формы (ИКПФ), отличающийся тем, что в него введены последовательно соединенные источник постоянного напряжения (ИПН), делитель напряжения, перемножитель сигналов (ПС), второй триггер Шмитта и вычитающее устройство (ВУ), которое является выходом формирователя, а также последовательно соединенные второй делитель напряжения, к входу которого подключен второй выход ИПН, и интегратор, выход которого соединен со вторым входом ПС, а также введены два переключателя П1 и П2 с контактами на два положения каждый, первые контакты которых подсоединены к ИКПФ и к другому выходу формирователя соответственно, а ко вторым контактам переключателей подключены выход интегратора и вход первого триггера Шмитта, и второй вход ВУ и выход первого триггера Шмитта соответственно.