Резервированное устройство для синхронизации Советский патент 1985 года по МПК H05K10/00 G06F11/18 

Изобретение относится к вычислительной технике и автоматике и может быть использовано для построения управляклцих систем повышенной надежности.

Цель изобретения - повышение надежности и контролепригодности устройства.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2-4 - структура блока привязки, блока управления, измерителя частоты соответственно; на фиг. 5-7 - эпюры временньк диаграмм устройства; на фиг. 8 - передаточная характеристика триггера Шмитта.

Устройство (фиг. 1) содержит в каждом канале последовательно соединенные первый элемент И 1, счетчик 2, дешифратор 3 и элемент задержки 4, элемент ЗИ-НЕ 5, первый вход которого соединен с выходом элемента задержки 4, выход - с первым входом элемента И 1, высокочастотный генератор 6, выход которого соединен со вторыми входами элементов И 1 и ЗИ-НЕ 5, одновибратор 7, выход которого соединен с третьим входом элемента ЗИ-НЕ 5, последовательно соединенные задающий генератор 8, счетчики 9 и дешифратор 10, блок управления 11, второй 12, пятый 13, шестой 14, третий 15 и четвертый 16 элементы И, элементы ИЛИ 17 и ИЛИ-НЕ 18. Блок привязки 19, первый вход 20 которого соедине с выходом элемента ИЖ-НЕ 18, первы входом элемента И 12 и обменным выходом 21, второй вход 22 - с выходо элемента задержки 4, выход 23 - с установочным входом счетчика 9 и входом 24 блока управления 11 (при этом выход 59 блока привязки 19 не используется), вход 25 которого соединен с выходом высокочастотного генератора 6, вход 26 - с выходом дешифратора 10, обменным выходом 27 и вторым входом элемента И 12,выход 28 - с третьим входом элемента ИЛИ-НЕ 18, первый и второй входы которого соединены с выходами элементов И 13 и 14 соответственно, первые входы которых соединены с обменными входами 29 и 30 соответсвенно, а также со вторыми входами элементов И 15 и 16 соответственно первые вхоцы которых соединены с обменными входами i1 и 52 соответст954892

венно, выходы - с рервым и вторым входами элемента ИЛИ 17, третий вход которого соединен с выходом элемента И 12, выход - со входом одновибра5 тора 7, шину обнуления 33, элемент развязки 34, триггеры Шмитта 35 и 36, входы которых соединены со вторыми входами 37 и 38 канала соответственно, а также с выходами элемента 34

10 развязки, вход которого соединен с шиной обнуления 33 и четвертым входом 39 блока управления 11, а также делители напряжения 40 и 41. При этом обменные выходы 21 и 27 первого канала

15 соединены соответственно с обменными входами 29 и 31 второго, а также соответственно с обменными входами 30 и 32 третьего каналов, обменные выходы 42 и 43 с обменным входом 38 второго

20 и обменным входом 37 третьего каналов соответственно, обменные входы кото- рых соединены аналогично. Выходом 44 устройства является выход любого разряда счетчика 2,

25 ,

Блок привязки 19 (фиг. 2) содержит сдвиговый регистр 45, содержащий последовательно соединенные 1К-триггеры 46 - 48, входы С которых сое-Q динены между собой и образуют тактовый вход 49 сдвигового регистра 45, а также инвертор 50, выход которого соединен со входом К, вход - со входом триггера 46, образующим сдвиговый вход 51, сдвигового регистра 45,

при этом прямые выходы триггеров 46 и 47 образуют соответственно выходы 52 и 53, инверсные выходы триггеров 47 и 48 - соответственно выходы 54 и 55, а вход S триггера 46 - устано40вочный вход 56 сдвигового регистра 45. Кроме того, блок привязки содержит элементы И 57 и 58, выходы которых соединены соответственно с выходами 23 и 59 блока привязки, первые

45 входы - соответственно с выходами 52 и 53, вторые входы - соответственно с выходами 54 и 55 сдвигового регистра 45, третьи входы - со входом 22 блока привязки и тактовым входом

49 сдвигового регистра 45, сдвиговый вход 51 которогр соединен со входом 20 блока привязки, а также шину О, соединенную с установочным входом 56 сдвигового регистра 45.

55 Блок управления 11 (фиг. 3) содержит блок привязки 19-1, 1 К.-триггер 61, измерители частоты 62-1 и 62-2, шины О 63 и 1 64, СДВИГО-.

вый регистр 45-1, установочный вход 56 которого соединен со входом 24 блока управления, сдвиговый вход 31 - с шиной О 63, тактовый вход 49 - с выходом 23 блока 19-1 и выходом с триггера 61, входы I и К которого соединены с шиной 1 64, прямой и инверсный выходы - с первыми входами 63 измерителя частоты 62-1 и 62-2 соответственно, вторые входы 66 которых соединены со входом 23 блока управления и входом 22 блока привязки 19-1,вход 20 которого соединен со входом 26 блока управления, а также элементы И 67и68, элемент ИЛИ 69,RS -триггер 70, элементы И-НЕ 71 и 72, первые входы которых соединены соответственно с выходами 32 и 53, вторые йходы - соответственно с выходами 34 и 33 сдвигового регистра 43-1, выходы- соответственно с первыми и вторыми входами элементов И и 68, третьи входы которых соединен с выходами 73 измерителей частоты 62-1 и 62-2 соответственно, выходы соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ 69, выход которого соединен со входом S установки в единицу, триггера 70, вход R установки в нуль которого соедине со входом АО, выход - со входом 28 блока управления.

Измеритель частоты 62 (фиг. 4) содержит элементы И 74 - 76, инвартор 77, блок привязки 19-2, счетчик 78, счетный вход которого соединен с выходом элемента И 74, установочный вход - с выходом 39 блока привязки 19-2, вход 22 которого соединен со входом 66 измерителя частоты и первым входом элемента И 74, второй вход которого соединен со входом 63 измерителя частоты и входом инвертора 77, выход которого соединен со входом 20 блока привязки 19-2, выход 23 которого соединен с первыми входами элементов И 73 и 76, а также цифровой компаратор (типа 333 СП1) 79, запоминающее устройство 80 и элемент ИЛИ 81, вых которого соединен с выходом 73 измерителя частоты, первый вход- с выходом переполнения счетчика 78, второй и третий выходы - с выходами элементов И 73 и 76 соответственно, вторые входы которых соединены соответственно с выходами и

А В цифрового компаратора 79, первый вход А которого соединен с выходом счетчика 78, второй вход В с выходом запоминающего устройства 80.

Устройство работает следующим образом. После включения питания на шину обнуление 33 каждого канала подается лог. 1, которая устанавливает RS триггер 70 в состояние лог.О открывает диоды элемента развязки 34 и поднимает уровень входного напряжения триггеров Шмитта до порога их включения (фиг. 8). Триггеры отключаются и на их выходах появляется лог. 1, которая сохраняется и при снятии обнуления за счет соответствующих делителей напряжения 40 и 41 других каналов. При этом, снимается блокировка элементов И 13 и 14. Делители напряжения рассчитываются так, что во время переходного процесса, связанного с выключением питания в одном из каналов соответствующие триггеры Шмитта других каналов выключаются при таком напряжении питания обесточенного канала, при котором его задающий генератор 8 и логические элементы нормально функционируют. I

Импульсы задающего генератора 8

соответствующего канала поступают на счетчик 9, который вместе с дешифратором 10 формирует тактовые импульсы с частотой fo/fti, где f - частота импульсов задающего генератора; m емкость счетчика. Элементы И 13 и 14, а также элемент Ш1И-НЕ 18 одного канала через обменные входы 29 и 30 и обменный вход 21 образуют с аналогичными элементам других каналов трехстабильный триггер таким образом, что на выходе элемента ИЛИ-НЕ 18 одного (ведущего) канала б1удет лог. 1, в двух других каналах лог.О. При этом, открываются элементы И 12 ведущего канала, а также один из элементов И 15 и 16 других каналов и на выход элемента ИЛИ 17 каждого канала проходят одни и те же тактовые импульсы. Блок привязки 19 формирует импульс установки счетчика 9 тогда, когда на его входе 20 происходит переход из лог. О в лог. 1. Поскольку в установившемся режиме таких переходов нет, то импульс установки не формируется и коррекция фазы счетчика 9 не происходит. Естественный счет импульсов не нарушается. Импульсы высокочастотного генератора 6 поступают через элемент 2И1 на счетчик 2. Начинается счет импульсов. Когда счетчик 2 насчитае () импульсов, где К - емкость счетчика, на выходе дешифратора 3 появляется лог. 1. К-м импульсом счетчика 2 переполнится и на выходе дешифратора 3 появится лог. О, чере К импульсов - вновь лог. О и т.д. Таким образом,на выходе дешифратора 3 формируются импульсы с периодом K/f , где f частота импульсов высокочастотного генератора (эпюра 3 на фиг. 5). На выходе элемента задержки 4 формируются задержанные на 1/ импульсы (эпюра 4 на фиг. 5), которые поступают на первый вход и стробируются по второму входу элемента ЗИ-НЕ 5 импульсами высокочастотного генератора 6. На вход одновибратора 7 поступают тактовые импульсы. Он формирует из них импульсы длительностью ,5/f (эпюра 7 на фиг. 5), которые поступают на третий вход элемента ЗИ-НЕ5. Для совпадения импульсов на входах этог элемента необходимо обеспечить дрей импульсов элемента задержки 4 относительно тактовых импульсов, т.е. выполнить неравенство.0() которое является условием захвата частоты. Оно означает, что фазовый сдвиг импульсов за один период тактовых импульсов должен быть боль ше нуля, но меньше периода импульсов высокочастотного генератора 6. Таким образом, дрейф приведен к том что на выходе элемента ЗИ-НЕ5 появляются импульсы обратной полярности перекрывающие импульсы высокочастот ного генератора 6 (эпюра 5 на фиг Длительность этих импульсов увеличи вается, а длительность импульсов на выходе элемента И1 уменьшается, и наступает момент, когда счетчик 2 не воспринимает очередной импульс, т.е. произойдет задержка счета на 1 /f . В следующем цикле совпадения импульсов .на входах элемента ЗИ-НЕ не будет и естественный счет импул сов не нарушайся. Через некоторое время дрейф вновь сведет импульсы вместе и произойдет очередная коррекция фазы счетчика 2 и т.д. Таким образом, происходит периодическое удлинение всех импульсов счетчика 2 на 1/{ , за счет этого частоты импульсов на выходе каждого канала устройства становятся кратными час- . тоте тактовых импульсов. Точность привязки выходных импульсов к тактовым не превьш1ает 1/f , значит, и несинфазность одноименных импульсов разных каналов не превьш1ает этой величи.ны. Тактовые импульсы каждого канала поступают на вход 26 блока управления 11 и на блок привязки 19-1, который привязывает их к импульсам высокочастотного генератора,6 так, что на выходе 23 блока привязки 19-1 формируются импульсы, длительность которых равна 0,5/f, а частота частоте тактовых импульсов. Равенство частот обеспечивается за счет периодического удлинения периода этих импульсов на 1/f , т.е. аналогично тому, как и в счетчике 2. Импульсы блока привязки 19-1 поступают на тактовый вход 49 сдвигового регистра 45-1 и на счетный вход С триггера 61, который работает в режиме деления частоты на два. В первьй полупериод, когда на прямом выходе триггера 61, имеется лог. 1, открывается элемент И 74 измерителя частоты 62-1 и его счетчик 78 начинает счет импульсов высокочастотного генератора 6. Во второй полупериод счет импульсов начинается в измерителе частоты 62-2, а в измерителе частоты 62-1 прекращается. При этом, в его счетчике 78 записывается код, соответствующий числам К или К+1, который подается на первьй вход А цифрового компаратора 79, на второй вход В которого с запоминающего устройства 80 подается код эталона частоты. Младший разряд счетчика 78 на цифровой компаратор 79 не подается, т.к. его значение меняется во времени и образует погрешность счета. Сравнение кодов начинается со старшего разряда. Если условие захвата частоты выполняется, то на обоих выходах цифрового компаратора 79 формируется лог. 0. После того, как на прямом выходе триггера 61 образовался лог.О и счет импульсов прекратился, блок привязки 19-2 формирует два не перекрывающихся импульса, первый из которых производит опрос состояния выходов цифрового компаратора 79, который сбрасывает счетчик 78. В следующий полупериод прекращается счет импульсов в измерителе частоты 62-2 и вновь начинается в измерителе частоты 62-1 и т.д. Таким образом, осуществляется непрерывный кон роль частотьГ тактовых импульсов каждого канала (эпюры 6, 10, 19-1, 62-1, 62-2 на фиг. 6). I Пусть в ведущем канале произошло отклонение частоты тактовых импульсов на величину, при которой условие (1) не вьтолняется. Это отклонение может быть выавано, например, отказом задающего генератора 8, отказом счетчика 9 (какой-то разряд не делит частоту, а пропускает), 9тказом дешифратора 10 (на выходе его нет тактовых импульсов, или они есть, но с удвоенной частотой) или отказом блока привязки 19 (на счетчик 9 периодически подаются импульсы уста новки) и т.д. Если отклонение частот тактовых импульсов произошло так, чт /{ - У./{ О, то измерители частоты 62-1 и 62-2 насчитывают число импуль сов меньше К. - K/f 1/f то измерители (Частоты насчитывают число импульсов больше K-i-1. В любом случае при опросе цифрового компаратора 79 произойдет установка Rs триг гера 70 в состояние лог. 1 и трехстабильный триггер переключается. Ве дущим становится любой из резервных каналов. Если отклонение тактовых импульсов произошло в резервных каналах, то срабатывают ихК5 триггеры

70, но трехстабильный триггер не переключается. Наличие лог. 1 на выходе R5 триггера 70 свидетельствует о неисправности канала, т.е. данное устройство обеспечивает диаг.ностику состояния резерва. Если формирование тактовых импульсов прекратилось совсем (частота равна нулю), то один из измерителей частоты будет непрерывно считать импульсы, пока его счетчик 78 не переполнится. В зтом случае установка RS триггера 70 в состояние лог. 1 производится импульсом переполнения через элемент ИЛИ 81. Поскольку положение тактовых импульсов ведущего канала в первый момент после переключения трехстабильного триггера случайно по отноПосле коррекции фазы счетчика 9 ведущего канала во всех каналах начнается переходный процесс поиска фазы тактовых импульсов. При этом несинфазность одноименных выходных импульсов разных каналов увеличивается. Величина несинфазности зависит как от скорости расхождения каналов, так и от времени поиска фазы тактовых импульсов, которое в свою очередь зависит от того, какое число будет записано в счетчик 9 ведущего канала. Для расчета несинфазности рассмотрим двухканальный режим работы устройства, т.к. критерием его работоспособности является синфазная работа минимум двух каналов при любой возможной шению к одноименным импульсам счетчика 2 разных каналов, то может быть так, что в одном канале импульс одновибратора 7 опережает, а в других каналах отстает от импульса элемента задержки 4, или наоборот, в одном канале отстает, а в других каналах опережает. В обоих случаях синфазная работа одного канала по отношению к другим каналам нарушается. Чтобы исключить это, после переключения трехстабильного триггера в ведущем канале на выходе 23 блока привязки 19 формируетсй импульс, привязанный к импульсам элемента задержки 4; который корректирует фазу счетчика 9, таким образом, чтобы следуюш й тактовый импульс занял однозначное фазовое положение по отношению к импульсам элемента задер ки 4 каждого канала. Поскольку при коррекции фазы счетчика 9 происходит изменение частоты тактовых импульсов, может произойти ложный контроль частоты и ложное переключение трехстабильного триггера. Чтобы исключить это,, импульс блока привязки 19 через вход 24 блока управления 11 записывается лог.1 в первый разряд сдвигового регистра 45-1, которая сдвигается тактовыми импульсами блока привязки 19-1. При этом,на выходах элементов И-НЕ 71 и 72 формируются импульсы отрицательной полярности, которые по вторым и третьим входам элементов И67 и 68 блокируют выходы измерительной частоты 62-1 и 62-2 на время, за которое происходит восстановление частоты тактовых импульсов (на это уходит 2-3 тактовых импульсов). неисправности. Пусть напряжение питания ведущего канала снимается. Поскольку триггеры Шмитта 35 и 36 других каналов„выключаются при напряжении, при котором ведущий канал в переходном режиме еще работае устойчиво, то синфазная работа каналов в этот момент не нарушается. После того, как обменные связи,идущие с обесточенного канала и работающие каналы, будут заблокированы соответствующими триггерами ШмиТта, ведущим станет один из двух оставшихся каналов. Возьмем худший случай, когда счетчик 9 ведущего канал устанавливается в такое состояние,при котором поиск фазы тактовых импульсов происходит максимальное вре мя (эпюры 6i,j, 4|, j, на фиг. 7). В этом случае максимальная несинфаз ность 10 489 (К-0.5) «f(l-,)vri/f -K/j где О - относительное отклонение частоты f от номинала; t - допустимая величина несинфазности. Выражения (1) и (2) определяют функциональную связь параметров устройства (. ,fo f uS ) при которой оно надежно функционирует при всех возможных видах отказов. Чтобы ввести обесточенный канал в работу необходимо подать на него напряжение питания, а. затем в каждый канал подать команду обнуление. Изобретение позволяет обеспечить синфазную работу двух каналов при любой возможной неисправности третьего канала, в том числе и при снятии напряжения питания, а также контроль неисправности каналов.

РЕЗЕРВИРОВАННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ, содержащее в каждом из трех каналов последовательно соединенные задающий генератор, первый счетчик и первый дешифратор, последовательно соединенные первьй элемент И, второй счетчик, второй дешифратор, а также элемент задержки, элемент ЗИ-НЕ, высокочастотный генератор и одновибратор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и контролепригодности, в каждьй канал введены блок привязки, блок управления, два делителя напряжет ния, элемент развязки, два триггера Шмитта, пять элементов И, шина обнуления, элемент ИЛИ-НЕ и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом одновибратора, первый вход - с выходом второго элемента И, второй и третий входы - с выходами соответственно третьего и четвертого элементов И, первые входы которых соединены соответственно с первым и вторым обменными входами, вторые входы - соответственно с третьим и четвертьм обменными входами, а также с первыми входами соответственно пятого и шестого элементов И, выходы которых соедине ны соответственно с первым и вторым входами элемента ШШ-НЕ, третий вход которого соединен с выходом блока управления, выход - с первым входом второго элемента И, первым обменным выходом и первым входом блока привязки, второй вход которого соединен с выходом элемента задержки, выход с установочным входом первого счетчика и первым входом блока управления, второй вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора, третий вход - с выходом первого дешифратора, вторым пходом второго элемента И и вторым обменным выходом, четвертый вход - с шиной обнуления и выходом элемента развязки, выходы (Л которого соединены соответственно с пятым и шестым обменными входами и входами соответственно первого и второго триггеров Шмитта, выходы которых соединены с вторыми входами соответственно пятого и шестого элементов И, причем выходы первого и ;о ел второго делителей напряжения соединены соответственно с третьим и четвертым обменными выходами, при этом первый и второй обменные выходы пер00 вого канала соединены соответственсо но с третьим и первым обменными входами второго, а также соответственно с четвертым и вторым обменными входами третьего канала, третий и четвертьй обменные выходы - соответственно с пятым и шестым обменными входами соответственно второго и третьего каналов, обменные выходы которых соединены с соответствующиьш обменными входами первого и третьего, а также первого и второго каналов соответственно.

гг

и

иTj«ENw.f

LTUUh. . Trrfo-fLTL ... JlJTJlr4rLrL

p 5te- ШШ Infff

1

n-t

Kjititt Mff99

J CutoT

t

ft JFiAAxLTL.., JiAAru

«i 7i

L iK-S.

f; JTJTJTJTTL... Jbn

V

г

{K-II.S)/fj

KtlunnnnfM

Опрос

Счет