Адаптивный формирователь опережающего синхросигнала Советский патент 1990 года по МПК H03K3/03 H03K5/01 

ел сп

-и

Изобретение относится к импульс- - ной технике и может быть использовано для синхронизации устройств визуа лизации, работающих по методу пространственной селекции, для наблюдения объектов и предметов в замутнен- ной атмосфере, например в тумане.

Цель изобретения - повышение точности фиксации опережающего синхросигнала путем повышения точности установки интервала времени опережения.

На фиг.1 приведена структурная схема формирователя; на фиг02 - графические зависимости процесса его работы.

Адаптивный формирователь опережающего синхросигнала содержит (фиг.1) триггер 1 (Тр 1), счетный вход которого соединен с входной шиной 2, а прямой выход подключен к первым входам двух элементов И 3 и 4 и к входу сложения (С) счетчика 5 (PC), инверсный выход триггера 1 соединен с первыми входами двух элементов И 6 и 7 и входом сложения (С) счетчика 8 (PC), вычитающий вход (В) которого соединен с выходом элемента И 4, выход элемента И 7 соединен с входом вычитания (в ) счетчика 5, выходы старших разрядов счетчиков 5 и 8 подключены к входам соответственно элементов ИЛИ 9 и 10, счетчные (СЧ) входы подключены к выходу генератора 11 (Г) импульсов, а установочные (У) входы - соответственно к выходам элементов И 6 и 3, вторые входы которых подключены к шине 2, выход третьего элемента ИЛИ 12 подключен к выходной шине 13, а входы - отдельно к первым выходам старших разрядов двух дешифраторов 14 и 15 (ДШ), вторые выходы младших разрядов которых подключены к вторым входам соответственно элементов И 7 и 4, первые стробируемые входы подключены к выходам соответственно элементов ИЛИ 9 и 10, а вторые стробируемые входы - к выходам сложения соответственно счетчиков 5 и 8, выходы сладших свободных разрядов которых подключены соответственно к основным входам первого и второго дешифраторов 14 и 15„ Дешифраторы 14 и 15 имеют (фиг.1) два инверсные стробируемых входа, инверсные выходы и прямые входы В качестве таких дешифраторов могут быть использована микросхема 155ИДЗ,

5

0

5

0

5

0

5

0

5

которая является преобразователем прямого 4-раэрядного двоичного кода в инверсный десятичный кодс Другие типы выпускаемых промьпиленностью в микросхемном исполнении дешифраторов могут быть приведены к виду ДШ 14 и 15 добавлением логических элемен

тов И, И-НЕ, НЕ и др. В качестве элемента ИЛИ 12 используется логический элемент И-НЕ, который осуществляет операцию логического сложения для инверсных импульсных сигналов с одновременным их инвертированием.

Алгоритм функционирования формирователя заключается в образовании на выходной шине 13 последовательности импульсов (фиг.2о), которая повторяет по форме и одновременно опережает во времени, интервал которого равен t0, поступающую на его входную шину 2 (фиг.2а) входную импульсную последовательность (ВИП) постоянной частоты

Для пояснения процесса работы формирователя на диаграмме (фиг.2) приведены три характерных временных отрезка работы формирователя: первый участок, на котором отсутствуют импульсы ВИП, соответствует временному интервалу до первого импульса ВИП (фиг.2а), второй участок, на котором присутствует шесть импульсов с постоянным периодом следования; третий участок, на котором отсутствуют импульсы ВИП, соответствует временному интервалу после шестого и последнего импульса ВИП. Первый и третий участки графических зависимостей характеризуют поведение формирователя при отсутствии импульсов ВИП.

Формирователь работает следующим образом (фиг.1).

Импульсы ВИП постоянной частоты поступают с входной шины 2 на счетный вход триггера 1, поочередно меняя потенциалы его прямого (фиг.26) и инверсного (фиг,2в). выходов. Потенциалы управляют режимом работы двух реверсивных счетчиков 5 и 8, на счетный вход которых поступают счетные импульсы генератора 11. Это управление в формирователе организовано таким образом, чтобы режимы работы счетчиков были сдвинуты на один период ВИн (фиг„2г,и), т,е„ когда один счетчик находится в режиме Сложение, то другой счетчик в это время

51

находится в режимах Вычитание или Остановка.

Для образования одного синхроимт пульса, опережающего соответствующий импульс ВИЛ, в формирователе исполь- зуется циклическая последовательност работы двух режимов работы одного из счетчиков (5 или 8) .- Сложение, а затем Вычитание. В последнем режиме работы происходит образование синхроимпульса, опережающего на врем t0 каждый второй импульс ВИП0 Этот синхроимпульс появляется на первом старшем разрядном выходе того дешиф- ратора (14 или 15), который связан по основному входу со счетчиком, работающим в режиме Вычитание. Вследствие сдвига работы режимов счетчиков 5 и 8 на первом выходе дешифра- торов 14 и 15 (фиг.2е,м) образуются поочередно с частотой, меньшей в 2 раза частоты ВИП} синхроимпульсы, которые затем логически складываются в элементе ИЛИ 12 и поступают на вы- ходную шину 13 в виде последовательности импульсов (фиг.2о), совпадающей по форме с ВИЛ и опережающей каждый ее импульс на время t0.

Образованию синхроимпульса предше- ствует выполнение двух условий: подача низкого разрешающего потенциала на первый стробируемый вход ДШ 14 с выхода элемента ИЛИ 9 (фиг.2л) и, соответственно, на аналогичный вход ДШ 15 с выхода элемента ИЛИ 10 (фиг„2е). Кроме того, разрешающий низкий потенциал должен быть подан на второй стробируемый вход ДШ 14 с прямого выхода триггера 1 (фиг.26) и, соответственно, на такой же вход Д 15 с инверсного выхода триггера 1 (фиг.2в).,

Принимая во внимание цикличность работы счетчиков 5 и 8, дальнейшее подробное описание работы формирователя производится на интервале времени, включающем в себя два периода ВИП: например, между 4-м импульсами - для схемы управления режимом ра- боты счетчика 8, а между 1 и 3-м импульсами ВИП (фиг,2а) - для соответствующей схемы счетчика 5.

Схема управления работой счетчика 8 содержит два элемента И 3 и 4 и работает следующим образом.

Допустим, что в момент прихода второго импульса ВИП счетчик 8 находился в состоянии Вычитание (фиг.2г

0

, С 5

0 Q

5

106

чему соответствует значение низкого потенциала О на входе С счетчика 80 Так как вход С этого счетчика непосредственно связан с инверсным выходом триггера 1, прямой выход этого триггера находится под высоким потенциалом 1 (фнг.2б), который поступает на первые входы элементов И 3 и 4, Высокий потенциал 2-го импульса ВИП во время появления на втором входе элемента И 3,и, соответственно, на входе У счетчика 8 (фиг.2д) производит обнуление разрядов этого счетчика.

Цикл работы схемы управления счетчика 8 начинается в момент р.кон- чания действия второго импульса ВИП (фиг.2а), при котором состояние триггера 1 меняется на противоположное, так как в качестве триггерного элемента используется двухтактный триггер со счетных входом, например, Т-типа. В этот момент времени на прямом и инверсном выходах триггера 1 появляются соответственно низкий (фиг.26) и высокий (фиг.2в) потен- циапы, первый из которых препятствует прохождению третьего импульса ВИП на вход У счетчика 8 (фиг02д), а второй потенциал блокирует ДШ 15 по первому стробируемому входу, препятст-/ вуя образованию на его выходах импульсов, и переводит счетчик 8 в режим Сложение ( Этот режим продолжается до тех пор, пока следующий третий импульс (фиг.2а) не вернет триггер 1 в исходное состояние (фиг,26,в). При этом счетчик 8 останавливается и в следующий момент - переходит в режим Вычитание (фиг.2г), так как высокий потенциал прямого выхода триггера 1 (фиг„26) разрешает прохождение 1 с 2-го раз- рядного выхода ДШ 15 на вход В счетчика через элемент И 4. Процесс формирования синхроимпульса в этом режиме работы счетчика 8 определяется механизмом взаимодействия этого счетчика, элемента ИЛИ 10 и ДШ 15,, В момент появдения 4-го импульса ВИП на входе формирователя происходит обнуление всех разрядов счетчика 8, так как высокий потенциал прямого выхода триггера 1 разрешает прохождение высокого потенциала импульса.ВИП на вход У счетчика 8 через элемент ИЗ. В момент окончания действия 4-го импульса ВИП начинается новый цикл

работы счетчика 8, при котором последовательность операций цикла вновь повторяется.

Формирование синхроимпульса, кото- рое производится в режиме Вычитание счетчика 8, определяется взаимодействием этого счетчика, элемента ИЛИ 10 и ДШ 15о Это взаимодействие рассматривается при следующих уело- виях, взятых для определенности: счетчик 8 является двоичным, ДШ 15 преобразует двоичный код в десятичный и первый старший выходной разряд ДШ 15 соответствует большему деся- Тичному числу, чем второй младший выходной разряд,, Возникновение синхроимпульса на втором выходе ДШ 15 присходит при условии разрешающего низкого потенциала на первом стробирую- щем входе, который возникает на выходе элемента ИЛИ 10 в момент обнуления старших разрядов счетчика 8, работающего в режиме Вычитание. В этот момент начинает действовать ДШ 15, который подключен к оставшимся младшим разрядам этого счетчика. Когда десятичное число первого выхода ДШ совпадает с входным числом младших разрядов счетчика, на этом десятичном выходе образуется синхроимпульс инверсной полярности и длительностью, равной периоду следования импульсов генератора 11 (фиг.2ж) Затем в момент совпадения меньшего по величине двоичного числа, образующегося на младших разрядах счетчика с десятичным номером второго выхода ДШ 15, на этом выходе возникает перепад с высокого на низкий потенциал который, ,пройдя через элемент И 4, попадает на вход В счетчика и переводит его в режим Остановка (фиг.2г) Работа ДШ 15 при этом также прекращается, что соответствует присутст- вию низкого потенциала на его втором выходе (фиг,2з)0

Величина времени опережения 10 связана с десятичным М номером выхода ДШ следующей простой формулой:

t fe « 4 t - М,

из которой видно, что ошибка в установке t „ не превышает величины At.

Число М связано с двоичным, на- пример 4-разрядным, числом младших разрядов счетчика по формуле

М а0.2°+ av21 + аг-2

+ ay2J

где а0- а - значения соответствующих разрядов счетчика, которые могут принимать величину 0 или 1„ При этом возникающее число возможных градаций Ммя|сеустановки t0 определяется по формуле

N

,

метке

где га - число младших разрядов счетчика, подключенных к входам ДШ0

Общее количество разрядов п счетчика, равное сумме его младших и старших разрядов, определяется в зависимости от максимально возможного значения периода ВИП по выражению n ,).

Работа схемы управления счетчика 5 и формирование опережающего синхроимпульса на выходе ДШ 14 аналогична работе схемы управления счетчика 8 и ДШ 15, так как процесс функционирования этих схем (фиг.2и,н) практически одинаков и только сдвинут во времени на один период ВИП0

Таким образом, при поступлении на входную шину 2 формирователя синхросигнала, представляющего собой ВИП постоянной частоты, на его выходной шине 13 образуется опережающая на время t0 каждый импульс ВИП последовательность синхроимпульса или опережающий синхросигнал. При этом в установке времени t0 не превышает величины ди„

В случае прекращения поступления импульсов ВИП на шину 2 формирователь работает следующим образом

Счетчик 8 после прихода 6-го (последнего) импульса ВИП переходит в режим Сложение (фиг,2г), при котором происходит периодическое со временем Т обнуление всех его разрядов и изменение в этот момент перепада потенциала на выходе элемента ИЛИ 10 с высокого на низкий и сохранение его в течение времени заполнения младших разрядов счетчика 8 (фиг,2е) счетными импульсами. Однако наличие высокого потенциала на инверсном выходе триггера 1 и, соответственно, на втором стробирующем входе ДШ 15 препятствует образованию синхроимпульсов в этом режиме работы счетчика.

Счетчик 5 после прихода 6-го импульса ВИП переходит в режим Вычитание , при котором на выходе ДШ 14 образуется только один паразитный импульс (фиг.2м). Затем после появления низкого потенциала на втором выходе этого ДШ счетчик переходит в режим Остановка, в котором находится все время до возобновления импульсов ВИП на шине 2, Естественно, что при этом больше паразитных им- пульсов не образуется.

Перед возобновлением следования импульсов ВИП также возможно образование одного паразитного синхроимпульса со временем опережения t н (фиг . 2ж) . Это связано с работой счетчика 8 в режиме Сложение, при котором перед приходом 1-го импульса ВИП и началом режима работы счетчика 8 Вычитание в счетчике запоминается логическое число, которое не соответствует пе- .риоду ВИП, например, как показано на фиг,2г, большее по величине значения этого периода

Таким образом, увеличение числа градаций установки времени повышает точность фиксации времени появления на выходе формирователя импульсов опережающего синхросигналаа Кроме

того, в случае пропадания импульсов ВИП формирователь всегда вырабатывает один паразитный синхроимпульс, а перед возобновлением следования импульсов ВИП возможно образование также только одного паразитного синхроимпульса, время опережения которого не равно tn. Последнее обстоятельство наряду с присущему формирователю свойству адаптивности по отношению к скач кообразному изменению частоты ВИП обепечивает надежность его функционирования при образовании опережающего синхросигнала

В отношении практического выполне- ния блоков и схем формирователя можно сказать следующее (фиг„ I) „

В качестве триггера 1 типа Т со счетным входом могут быть использованы различные двухступенчатые структу- ры: RS-, Eh , TV- и IK-триггеры, например микросхема на 155ТМ2 или 155ТВ1„

В качестве импульсного генератора 11 счетных импульсов можно использовать микросхему 531ГГ1 с подключен- ным к ней кварцевым резонатором.

Блок реверсивных счетчиков 5 и 8 может быть организован на микросхеме 155ИЕ7, которая является 4-разрядным

двоичным реверсивным счетчиком, для сбросов которого в нулевое состояние достаточно подать короткий импульс положительной порярности на вход Установка этой микросхемы, режим работы которой Сложение или Вычитание обеспечивается подачей высокого потенциала соответственно на входы и -1 и счетных импульсов на вход С счетчиков.

Элементы И 3,4,6 и 7 и элементы ШВ1 10 и 9 могут быть выполнены на логических элементах микросхем серий 155 или 55 5 э

В качестве дешифраторов 14 и 15 наиболее целесообразно использовать микросхему 155ИДЗ, которая имеет два инверсных стробируемых входа: 4-раз- ряднмй прямой вход логического числа и 15-ти разрядный инверсный выход десятичных чисел

/1ля организации сложения инверсных синхроимпульсов, поступающих с выхода ДШ, наиболее целесообразно в качестве элемента ИЛИ 12 использовать микросхему с элементом 2И-НЕ серий 155 или 555,

Оценим точность о/ и количество градаций N установки интервала времени опережения t 0 в предлагаемом формирователе по сравнению с известным, считая при этом, ч,то в обоих преобразователях используется одинаковое количество (т) младших раэ- рядоь реверсивного счетчика.

Интервал С0 в известном устройстве определяется кяк произведение периода следования Л t счетных им- пульсов и числа два в степени га:

,

При этом максимальное количество градаций в известном устройстве равно числу га. Учитывая это обстоятельство, можно определить точность установки интервала, которая определяется как разница в установке двух ближайших интервалов времени опережения при га и т-1 по формуле

ofnp

о m-i , /- At.

Величина этой точности составляет половину интервала tp.

В предлагаемом формирователе максимальное значение интервала t„ „.

v i W Я К, С

определяется по следующей формуле: Чм-кс- 24-

Исходя из того, что в предлагаемом формирователе для установки может использоваться любое двоичное число, которое циклически возникает на выходе младших разрядов счетчика в режиме Вычитание, легко определить искомое число N. по следующей формуле:

N

I,

а затем погрешность сС, которая будет равна

dt.

Чмс,кс/МФ

dt,

Численный анализ оценки точности оС и количества градаций N интервала времени опережения произведем по следующим соотношениям при

4N N4,- N пр 63 - 6 57;

ud ап - с(ф

31 /Jtc

Приведенные результаты расчета погрешности А показывают, что использование предлагаемого формирователя сравнению с известным повышает количество используемых градаций установки интервала времени опережения почти п N-/N пр 9 раз0 При этом точность установки интервала времени опережения и, соответственно, точность фиксации времени появления опережающего синхросигнала увеличивает- - ся в 31 раз о

Считая, что длительность интервала времени стробирования отраженных световых импульсов или время открытого состояния затвора равно 2at, можно оценить улучшение отношения сигнал/шум, достигаемое в устройстве визуализации, в котором используется предлагаемый формирователь.

Допустим, что необходимо устано-; вить значение интервала опережения, равное 47 ДС. Ближайшее и большее по величине значение этого интервала, которое можно установить в известном устройстве, равно 64 ut. В результате этого время появления синхросигнала должно превышать необходимое значение интервала времени опережения на 17 Ut0 При этом длительность интервала времени стробирования также должна быть равна 17 t

В предлагаемом формирователе точность установки интервала времени

5

0

5

0

5

0

5

0

5

опережения составляет 2 dt, поэтому необходимую величину интервала времени можно установить в пределах 47 ut ± 4t, при котором длительность времени стробирования в предлагаемом формирователе составит величину, равную 2 ut.

В результате этого отношение сигнал/шум в устройстве визуализации с предлагаемым формирователем улучшится в 17/2 8,5 раз.

Увеличение чувствительности устройства визуализации обеспечивает уменьшение мощности излучения лазера при сохранении прежнего расстояния до предмета на&людения; увеличения дальности действия устройства визуализации при сохранении мощности излучения лазера на прежнем уровне,

Используя возможность улучшения чувствительности в 2 раза, мощность излучения лазера может быть уменьшена в -/8,5/2 2 раза. При этом ресурс работы такого лазера увеличится в 2 раза.

Формула изобретения

Адаптивный формирователь опережающего синхросигнала, содержащий триггер, счетный вход которого соединен с входной шиной,прямой выход триггера подключен к первым входам первого и второго элемента И и к входу сложения первого счетчика, инверсный выход триггера соединен с первыми входами третьего и четвертого элемента И и входом сложения второго счетчика, вычитающий вход которого соединен с выходом второго элемента И, выход четвертого элемента И соединен с входом вычитания первого счетчика, выходы старших разрядов первого и второго счетчиков подключены к входам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, счетные входы подключены к выходу генератора импульсов, а установочные входы - соответственно к выходам третьего и первого элементов И, вторые входы которых подключены к входной шине, выход третьего элемента ИЛИ подключен к выходной шине, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности фиксации опережающего синхросигнала путем повышения точности установки интервала времени опережения, введены первый и второй дешифраторы, первые выходы старших разрядов которых подключены отдельно к двум входам третьего элемента ИЛИ, вторые выходы младших разрядов подключены к вторым входам соответственно четвертого и второго элементов И, первые стробируемые входы подключены тс выходам соответственно первого и второго элементов ИЛИ, а вторые стробируемые входы - к входам сложения соответственно первого и второго счетчиков, выходы младших свободных разрядов которых подключены соответственно к основным входам первого и второго дешифраторов.

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться для синхронизации устройств визуализации, работающих по методу пространственной селекции. Изобретение повышает точность фиксации импульсов опережающего синхросигнала путем повышения точности установки интервала времени определения. Адаптивный формирователь содержит триггер 1, входную шину 2, четыре элемента И 3, 4, 6, 7, элементы ИЛИ 9, 10, 12, два реверсивных счетчика 5 и 8, выходную шину 13. Новым в формирователе является введение двух дешифраторов 14 и 15, что позволяет повысить точность установки интервала времени опережения. 1 ил.

а, Импульсы ВИЛ 6.Прям.вш.ТР1 &.Инвер.вш.тр1 г. Режим роб. PCS д.Вход. е. Выход или ю

Ж.Выход &Ш15 ъ.Выход2Д.Ш15

и.Режимраб.РСЗ. к.ВходЙУ РС5 л. Выход ИЛ И Q

н.Выход1ДШМ н.ВыходгйШМ о. Выход или 12

- i + i -т 1 + i -I г

U

U

JUUL

п п п п п п

Фиг. г