УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Советский патент 1966 года по МПК H03K19/00 G06F1/00 

Известны универсальные многофункциональные элементы, содержащие логические элементы и элементы коммутации.

Предлагаемый элемент отличается от известных тем, что Б нем каждый полюс подключен к первому входу логической переменной первого логического элемента и ко второму входу логической переменной второго логического элемента, выход третьего логического элемента также подсоединен к указанному нолюсу, первые входы настройки элемента на выполнение логической функции первого и второго, третьего и четвертого логических элементов объединены, вторые входы настройки элемента иа выполнение логической фзнкции первого и третьего, второго и четвертого логических элементов также объединены.

Это позволяет обеспечить равномерную нагрузку относительно любого из полюсов.

На фиг. 1 представлена блок-схема универсального многофункционального элемента; на фиг. 2 - блок-схема многофункционального элемента; на фиг. 3 - график, поясняющий принцип действия многофункционального элемента; на фиг. 4 - принципиальная схема многофункционального элемента; на фиг. 5- схема соединения входных обмоток логического элемента внутри универсального многофункционального элемента; на фиг. 6 - схема соединения обмоток питания и управления

спектротронов универсального многофункционального элемента.

Универсальный многофункциональный элемент состоит из четырех многофункциональных элементов 1, 2, 3, 4. Входы каждого из них подсоединены к соседним полюсам 5, 6, 7 и 8, а выходы 9, 10, И, 12 - к следующему соседнему (одному из противоположных) полюсу, так что в целом образуется схема, симметричная относительно центра. При этом к каждому полюсу оказываются подключенными один логический выход и два из логических входов . Управление элементом осуществляется коордннатным способом, перестройкой многофункционального элемента сигналами, поступающими по вертикальным шинам 20, 21 и горизонтальным шинам 22, 23, причем элемент перестраивается только при одновременном воздействии на шины, на пересечении которых он находится.

Каждый многофункциональный элемент вынолняет 10 логических функций, обладает соответственно десятью устойчивыми состояниями для их хранения и позволяет осуществлять

настройку его на любую из функций.

Блок-схема многофункционального элемента от двух пере,1епнь Х приведена на фиг. 2, где 24 - полнлогический элемент (ПЛЭ), 25 - миогоустойчивый элемент (МЭ). ПолиПУМ контуре, управляемом электрически пеР-;г ранваеной реактивпоетыо с несколькими lixu.uiMH, детекторе и усилителе. На вход 26 юл.лется напряжение с заданным линейчаii)iM спектром, содержащим частоты ff2, /rf

Hl , и-S.

Ыа входы 27 и 28 поступает двоичная информация; логической единице соответствует высокий уровень постоя ного напряжения (тока), логическому нулю - отсутствие на пряжеиия (тока) или напряжение малой величины. С ;.;оптура на выход 29 постунает предварите; 1)Ио нродектировапное и усиленное напряжение. Сигнал управлепия настройкой контура логического элемента в виде уровня напряжения или тока снимается со статического выхода 30 многоустойчивого элемента 25, например спектротрона. Входы 31, 32 являются входами настройки. Многоустойчивый элемент обладает количеством устойчивых состояний, равным числу вынолняемых функций , н соответственно настраивает резонансный контур ПЛЭ на десять частот /о, i,.-.,fs- Расстояние между частотами выбрано с;д.;111аковым И равным А/. Сигнал информации но входу 27 перемещает .частоту контура И. 2Д/, по входу 28 - на А/ и при совместном действии сигналов - на ЗА/.

Суть работы многофункционального элемента заключается в том, что при поступлении двончиой информации на входы 27 и 28 происходпт перестройка резонапсной частоты контура и в зависимости от уровня, поступаю1цего на настроечный вход полилогнческого элемента с многоустойчнвого элемента, осуществляется либо настройка его на одну из частот спектра /,.,, либо расстройка. На выходе 29 снгнал появляется только при попаданин одной из частот /,; в полосу пропускаMiiH коптура. Нерестройка многофункционального элемента е одной выполняемой функции на другую оеущеетвляется путем перевода многоустойчивого элемента в состояние внешними воздействиями, подаваемыми одновременно на входы 31 и 32.

В первоначальном устойчивом состоянии многоустойчивый элемент настраивает резонансный контур полилогического элемента на /э. Снгнал на выходе 29 появляется только при наличии информации на входе 27, когда резонансная частота контура перестраивается на 2А/ н в полосу пропускапия контура попадает спектральная составляющая fc2. В случае же налнчия информации только на входе 2(1 или одновременно на обоих входах, частота; контура не совпадает ни с одпой из составляющих напряжения спектра питания нолилогнчсского элемента, и сигнал на выходе 29 отсутствует. Это есть реализация функции запрета но входу 28.

Перевод многоустойчивого элемента во второе устойчивое состояние приводит к иастройке нолилогического элемента на вынолнение функции неременной. Частота его контура равна /„ /1. Информация, приходящая на

вход 28, вызывает изменение частоты на А/ и в зависимости от ситуации на входе 27 настраивает контур на fcz или /,4. При отсутствии сигнала на входе 28 на выходе 29 также ничего нет.

В третьем устойчивом состоянии (частота контура элемента / /2) многофункциональный элемент настроен на функцию отрицания неременной. Теперь сигнал на выходе 29 имеет место нри отсутствии информацни иа входе 28. Следующее состояние обеспечивает наетройку многофункционального элемента на выполнение функции запрета но входу 27(f,). В полосу пропускания контура элемента составляющая / попадает при присутствии сигнала только на входе 28.

В пятом устойчивом состоянии многофункционального элемента реализуется функция неравнозначности. Контур элемента наетроен на f4 .f(4, когда ни на один из входов 27,28 нанряжение не ноступает; прн наличии информации на обоих входах одновременно контур настроен на /г, и сигнал на выходе 29 имеется; в остальных же случаях выходное нанряжение равно нулю.

При переводе многофункционального элемента в щестое состоя)1ие частота контура полилогического элемента равпа /j. Элемент настраивается на выполнение функции неремениой X. Действительно, сигнал по входу 27 изменяет частоту контура на 2А/, и в полосу пропускания коптура попадает частота сигнала fc7. Если же одновременно приходит сигнал на вход 28, то резонансная частота контура полилогического элемента становится равной , и на выходе элемента также имеются колебания.

В седьмом состоянии (f -fa) многофункциональный элемент выполпяет фупкцию неравнозначностн (сложение по модулю два). В восьмом состоянии (/ /7) реализуется функция отрицания перемепной X, в девятом (к /s) универсальная функция «стрелка Пирса и в десятом (/ /в) - константа нуль.

Все вынолняемые функции сведены в таблице.

Количество выполняемых функций может быть доведено до 16 без какого-либо усложнения схемы. Для этого необходимо напряжение нитания элемента обогатить соответствующими спектральными составляюпдими, а количеетво устойчивых состояиий многоустойчивого элемента сделать равным 16. Однако в

нашем случае вполне достаточно десятифункционального логического элемента, нричем последний хорошо сочетается с многоустойчивым элементом, имеющим десять устойчивых состояний.

В обш:ем случае количество выполняемых элементом функций равно , где п - число входных неременных. Максимальное Л определяется диапазоном перестройки и добротностью контура нолидогического элемента, видом нитаюш,их напряжений и режимом работы схемы. Сложность элемента практически не зависит от количества выполняемых функций и числа входных переменных. Последнее обстоятельство весьма важно нри построении универсальных многофункциональных элементов от п переменных, т. е. многомерных структурно-однородных логических сетей.

Рассмотрим принцип действия универсального многофункционального элемента и его возможности. Он позволяет реализовать: вопервых, различного вида соединительные пути, во-вторых, избыточный набор логических функций, причем в любом направлении относительно четырех полюсов. Кроме того, он позволяет организовывать ряд различных запоминающих устройств для хранения информации и генераторов импульсов. Это дает возможность гибко и рационально использовать универсальные элементы для ностроепия заданной схемы.

Приведем несколько примеров.

В случае разрыва между полюсами универсального многофункционального элемента все многофункциональные элементы настроены на выполнение константы «нуль. Независимое соединение двух противоположных полюсов получается нри настройке соответствующих миогофункцнональных элементов на вынолнение функции переменной X. При этом должна быть исключена одновременная настройка двух МФЭ, соединяющих протнвоноложные полюса. Например, информация с нолюса 8 должна поступить на 5, а с 5 - на 7; для этого элементы 1 и 4 настраиваются на функцию X, остальные - на константу «нуль. Соединение одного нолюса со всемн другими может быть реализовано в нескольких вариаитах. Пусть, напрнмер, информация с нолюса 8 должна ностунить на все остальные. Для этого в одном случае можно настроить элементы }, 2 на X, элемент 3 - на О, элемент 4 - на У; в другом случае элементы I и 2, 4 настраиваются на выполнение функции У, элемент 3 - на 0. Возможны и другие варианты. Аналогично организуются подобные соединительные пути относительно всех другнх полюсов.

Для выполнения какой-либо логической функции из заданного набора функций двух входных переменных относительно двух соседних нолюсов необходимо настроить элемент, нодсоедииенный входами к этим полюсам, на выполнение соответствующей функцни. Каждый элемент обладает снособнпс- .ю

выполнять избыточный набор ЛОГТНС Х

функций, поэтому штеются значительные гп,можностн органнзации различных логичоскг-схем даже на одном универсальном Переработанная информация может б:-у снята как с одного выхода элемента, пртт диненного к соответствующее третьемх nrv люсу, так (при необходн юстн) одноврол : но н с четвертого нолюса. В последнем слу--один из МФЭ должен соединнть этн В1 тх: тные нолюса, т. е. настронться на У.

Пример. Необходшю выполнить опе--пцию сложения по модулю два относителлш

полюсов 5 и 7 и подать сигнал на полюса - ч 5. Для этого элемент / настраивается иг функцию , элемент 2 - на У, я остальные - на нуль. Универсальный элемрт позволяет одновременное выполнение ощп и той же функции отиосительио разных нолосов. Действительно, например, на вынолнеп-о функции сложения по mod 2 отпосительно по люсов 8, 7 может быть настроен элемент /. относительно полюсов 8, 5 - элемент 4. Во

можна настройка элемента одновреетенно вынолнение двух различных функций так. то образуется целая логическая наппимер, для реализации полусумматора, в котором входные неременные ностунают на no.ip

са 8 и 7, сумма образуется на полюсе 6. а единица переноса - на полюсе 5; элемен настранвается на функцню неравнозначности, а элеме Т 2 на функцию запрета по У. О-гсвидно, что описанные комбинации могут бьть

осуществлеиы относительно всех четырех полюсов.

Структура универсального многофункционального элемет)та позволяет организопатг. различного внда зано ннаюн1не устройстгп. прежде всего два внда известных трнггеро-. У триггера нервого вида с обоих плеч снимается одинаковая информация (либо О, 1), у трнггера второго вида с одного нлсл снимается ннформация в прямом коде (1 ли

0), а с другого - в обратном коде (О или 1). Для получеиия триггера первого вида необходимы два элемеита, выходы которых подсоединены к противоположным ИОЛЮСаМ. НПСТ Лить на вынолнение функций запрета по У. Н:;пример, если элемеиты / и 5 иастроепл ч т функцню запрета по У, а элементы 2, 4 - :п нуль, то имеется триггер с выходгн тмн полюсами 8 и 6. Перевод тр1 ггера в состояние «1 осуществляется иодачей сигиала на оба или на одни из них. Для записи нуля достаточно нодать сигнал хотя бы на один из полюсов 7, 5. В тех случаях, когда нежелательно на схему воздействие сигиала с одного из полюсов 7 или 5, настраивают элемент, присоедннет ный своим входом к этому полюсу, на вынолнение функнии переменной Л . Так нри занпещенном нолюсе 5 на функцию А настраивается элемент 3. Иногда, наоборот, необходимо иметь выход заннсанной ннформанин с трех иолюсов 8, 5, 6. Тогда для создаиия трнггера

используются три МФЭ, причем, как и прежде, элемент / иастроен па фупкпиго запрета по У, элемент 4 - на копстанту О, а два оставшихся элемента перестраиваются на функцию перемеииой У. Нетрудно убедиться, что едипица, записанная в элемент, пнркулирует по пени /, 2, 3. Импульс напряжепия пли тока, поданный на полюс 6, разрывает элехтрпческую цепь, и заппсанная пиформацпя стирается.

При организации триггера второго вида два многофуикциональных элемента, соединяющих иротпвоположные полюса, например, 8, 6, настраиваются па упиверсальпую функцию «стрелка Пирса, а два других - на «нуль. Перевод триггера из состояиия в состояние осуи1,ествляется подачей сигнала на его входы (полюса 7, 5). Следует сказать, что описаны далеко не все способы организации элементов памяти па базе универсального миогофункциоиальяого элемента. Последний позволяет также построение разнообразных генераторов единиц с выходом в виде постоянного уровпя, генераторов импульсов с различным периодом следования и разиой скважностью, преобразователей длительности импульсов п число импульсов и др. Так, например, если нужио нолучить генератор единиц в виде постоянного уровня с выходами иа полюса 8 и 6, то элемеиты / и 5 настраивают на выиолпение функций перемеп1 ой X, и записывают в образовавшуюся цепь едииицу. Оставшиеся МФЭ могут быть иастроеиы либо па коистапту «нуль, лнбо па выполпение другой функции. В случае необходимости, иа них может быть также образован геператор едипиц отиосительно полюсов 7, 5. Универсальный элемент можег быть иастроен как геператор единиц с выходами на любые из трех полюсов или на все четыре одновреме1ню к т. д. Запись единицы осуществляется подачей сигнала па любой из выходиых полюсов геиератора. Стирание записанной единицы осуществляется путем перестройки уииверсальпого элемента.

Генератор едиииц в виде импульсов с выходами па полюса 8, 6 получается, если, папример, настроить элел1е1гг / на функцию неравнозначности (mod 2), элемент 3-на перемениую X, а остальные - па константу О, п на полюс 7 подать еднницу. Пусть в начальный момент времени в цепи записан нуль. При подаче напряжения на полюс 7 на выходе элемента / (mod 2) появляется сигнал через время, равное времени задержки элемента тг, который затем, пройдя по элементу 3, на что затрачивается отрезок времеии т, попадает на полюс 6. Поскольку сигналы прнсутствуют иа обоих входах /, то на выходе элемента сигнал исчезает на время, необходимое для затухания сигиала на полюсе 6. Как только это произойдет, иа полюсе 8 опять появляется сигнал, ибо ностояшюе напряжение па полюсе 7 продолжает действовать, и процесс повторяется спачала. Период

следования импульсов определяется суммарным временем задержки МФЭ, включенных в цепь. Для нолучения меньшей частоты генерации необходимо увеличить число элемеитов. В универсальном элементе это делается перестройкой элементов 2 и 3 на функцию переменной У. Петрудпо увидеть, что оппсанный элемент при отсутствии напряжения па полюсе 7 работает как элемент памяти. Управление заиисью и стира 1ием ипформации осуществляется кратковремецпым импульсным воздействием па полюс 7. Совместное использоваиие нескольких универсальных элементов еш,е больше расширяет возможности

построепия различпых схем.

Рассмотренные примеры схем могут быть организовать относителглю всех четырех полюсов.

В общей сложности на базе описанного универсального многофункционального элемента может быть реализовано различпых схем, где Л - количество функций, выполняемых одним МФЭ или соответственно число устойчивых состояний миогоустойчивого элемента, к - количество элемеитов. В данном случае для 4, число реализуемых схем достигает Р-10. Такая колоссальная избыточность схем нозволяет гнбко иснользовать универсальный элемент в устройстве и

снособствует повышению надежности работы элемента. Это выражается, во-иервых, в том, что возможна организация дублирующих друг друга схем, во-вторых, в том, что ири изменении режима работы элемента или при

разбросе параметров деталей элемента или изменении вида иитающего наиряження, т. е. при выполнении какой-лпбо функции., универсальный элемеит продолжает иормально функционировать за счет перестройки элемента. Таким образом, падежиость работы стройства повышается за счет нзбыточ)1ости логических функций. Причем, это ие связано с увеличеиием количества используе юго оборудования, а осуш,ествляется за счет перестройки режима работы устройства.

Следует сказать также, что у Н1версальный многофункциональный элемент может служить хорошим аналогом нейтрона, поскольку

его структура, способ фушщиоиировання н фуикцнона. возможности весьма похожи на последпий.

Прсдложешизн VHи 5ерсальный многофунк;:иональный элемеит провереи экспер ;ментально. Прннципиальпая одного многофуикц-юиалыюго элемента нрипедена на рис. 4.

Полилогическнй элемент выполнеп на носледовательном контуре с индуктивиостями 33, 34 и емкостью ,5, перестройка резонансной частоты которого осуществляется из:;ененнем индуктивности катушек 33 и 34 нутем нод:магннчнванм : токг:.л1, цротекающим через обмотки 36, 37. 38 подмагничивания. Спектр,

задающий набор функций элемента с частотами fc2, , fc7, fcs, подзется ОТ генсрятора на вход 26 контура. Когда контур настроен на одну из fci, сигнал с его выхода поступает на диодный детектор и управляет усилителем постоянного тока, выполненным на полупроводниковых триодах 39, 40. Нагрузкой усилителя служат входные обмотки последующих логических элементов. Настройка контура на частоты fo, ft, ...,/9 при обесточенных обмотках 36, 37 осуществляется подачей тока соответствующей величины /о, 1,..., /п в обмотку 38 со статического выхода 41 многоустойчивого элемента - индуктивного спектротрона. Поскольку частота контура изменяется в зависимости от тока линейно, т. е. / /о+сс/, частоты /о, /ь ,/ расположены через одинаковый интервал -//-ь

Входная информация, поступающая на входы 27 и 28, представляется импульсами тока величиной /. Обмотка контура и все обмотки подмагничивания составлены из двух катущек индуктивности каждая, намотанных ia тороидальные ферритовые сердечники, изготовленные из магнитомягкого материала. Катущки обмоток подмагничивания включены встречно для уменьщения щунтирующего действия цепи подмагничивания на контур. Количество витков в одной из входных обмоток, например 36, вдвое больше чем в обмотке 37, так что при одинаковых входных токах сигнал, поступающий на вход 27, перестраивает контур на 2А/, а сигнал, поступающий на вход 2S -на Д/.

Используемый в качестве десятиустойчивого элемента спектротрон выполнен на контуре с индуктивностями 42, 43 и емкостью 44, охваченном цепью внещней обратной связи, включающей детектор 45 и усилитель постоянного тока на транзисторах 46, 47, нагрузкой выходного каскада которого служит обмотка 48 подмагничивания. Напряжение питания с заданным линейчатым спектром, содержащим девять гармонических составляющих , f2a, , ...,/9гл, поступает на контур спектротрона через обмотки 49, 50. Суть работы спектротрона заключается в том, что при попадании в полосу пропускания контура одной из составляющих fff/ спектра питания на выходе контура возникают колебания, амплитуда которых достаточна для того, чтобы после детектирования и усиления удерживать контур настроенным на эту составляющую спектра. Перевод спектротрона из состояния в состояние может осуществляться известными способами управления. В данном случае удобно использовать координатный способ записи и считывания информации, который применен в Л-значном оперативном запоминающем устройстве на спектротронах. Поэтому

фазы гармоник спектра питания,подаваемого на горизонтальную щину (вход 3/), сдвинуты на 20° относительно соответствующих гармоник спектра питания, подаваемого на вертикальную щину (вход 32), а амплитуды соответствующих спектральных составляющих на обеих шинах равны.

Соединение входных обмоток логического элемента внутри универсального многофункциояального элемента показано на фиг. 5. Здесь: W.,, расшифровывается как обмотка по входу 27 /-ГО элемента. Все входные обмотки соседних многофункциональных элементов, сходящихся в один полюс, соединены

последовательно. В данной схеме обмотки включены в коллекторную цепь усилителей (Т,) выходных каскадов логических элементов так., что нагрузкой для обоих усилителей. Благодаря этому образуется траизисторная схема «ИЛИ с параллельным включением триодов. Нетрудно увидеть, что на реализацию этой схемы «ИЛИ не расходуется дополнительного оборудования, в то же время возможности построения логических схем расширяются. Ограничительное сопротивление, включенное последовательно со входными обмотками, обеспечивает ток, равный /. Усилители работают в режиме насыщения, благодаря чему снижены требования к

стабильности амплитуды входного сигнала и разбросу параметров схемы.

На фиг. 6 показано соединение обмоток питания и управления спектротроиов универсального многофункционального элемента.

Источники напряже1 ия спектра питания спектротронов и логических элементов общие для элементов, используемых для построения какого-либо устройства, например вычислительного устройства с однородной структурой.

Предмет изобретения

Универсальный многофункциональный элемент, содержащий логические элементы и элемер1ты коммутации, выполненный в виде

многополюсника, отличающийся тем, что, с целью обеспечения равномерной нагрузки относительно любого из полюсов, в нем каЛСдый полюс подключен к первому входу логической переменной первого логического элед;еита и ко второму ХОДУ логической перемен1юй второго логического элемента, выход третьего логического элемента также подсоединен к указанному полюсу, первые входы настройки элемента иа выполнение логической функции

первого и второго, третьего и четвертого логических элементов объединены, вторые входы настройки элемента на выполнение логической функции первого и третьего, второго и четвертого логических эле: 1ентов также объединепы.

22-.

,™,.,.. -I 15

IT

Г

Zd

Tis 7

26 27

- 7// L.. 5 .j - J/ o.| 25

/ ,- -, -/- :- -- , t- f

f -j-; 5- -7-&y

1

S

Zv5. /

-„. L, „,

if r-v/, ,f

-Н, I

t4vL i i -JI

i:-- 45 .,.-,:-4

I jl Л I

C(,4fi

L(:,

0;ip,T

5i1iJih j . 5 ,i i .Я

„„JJ,,..j

I „„j::±.

.

-i jlsЩ I /

I - .-VA ;

Nznxizf Ti-

. U.

Hb

I i

г5

I

i.J i i

J , v, i J i

I

h .-j