Аналоговое запоминающее устройство Советский патент 1982 года по МПК G11C27/00 

(54) АНАЛОГОВОЕ ЗАПОМИНАЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для исследования однократных процессов в радиолокации, радистах- . вике, телевидении, ядерной физике, в качестве выносного прибора к осциллографу для исследования на его экране однократных процессов.

Для записи и последующего многократного считывания одиночных сигналов известны запоминающие устройгства с использованием подвижных магнитных носителей информации (ленты, барабаны, диски), а также электроннолучевые трубки с видимым изображением.

Однако тайне устройства характеризуются конструктивной сложностью, малой надежностью и высокой стоимостью.

Известны также запоминающие устройство с неподвижными магнитными ансшоговыми элементами памяти, например трансфлюксорами, в которых производя ; квантование сигнгша по времени, запоминание значений процесса, собтветствующих моментам квантования в отдельных элементах . памяти tl.

Однако для записи информации в элементы памяти применяют импульсную отрицательную связь, причем обегание элементов памяти происходит при наличии коммутирующих элементов в цепи записи и в цепи считывания сигнала при считывании, что снижает быстродействие и точность устройства. .

10

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является аналоговое устройство для запоминания однократных сигналов, содержащее охваченное цедью обратной связи на15копительный элемент, выполненный в вкде элемента задержки, источник эталонного напряжения, соединенный с первым входом элемента сравнения, к.гЕЮчи. Кроме того, устройство содержит одновибраторы, пиковый детектор. Источник эталонного напряжения выполнен в виде генератора пилообразного напряжения, с которым в заданные интервсьлы времени сравнивается информацйионный сигнал, в момент

25 их равенства одновибратор формирует прямоугольный импульс, записываемый в накопительный элемент - элемент задержки. Постепенно в элемент задержки записываются импульсы одина30ковой длительности на разных рассто ниях один от другого. Эти расстояния несут информацию об амплитуде квантов одиночного процесса 12. Недостатками известного устройст являются ограниченный амплитудный динамический диапазон запоминаемого сигнала и ограниченное число выборо (число.квантований по времени), опр деляющее точность запоминания. Прин цип работы устройства заключается в преобразовании амплитуды запоминаемого сигнала во время между импульсами, вырабатываемы1 ги одновибратором Поэтому объем памяти накопительного элемента должет быть равен произведению числа выборок на число градаций по амплитуде. Использование в известном утсрой стве накопительного элемента - элемента задержки, содержащего формиро ватель тока записи, усилитель считы вания, формирователь прямоугольных импульсов, не дает возможности суще венного увеличения обьема памяти,изза большого количества требующегося оборудования, больших габаритов, потребляемой мощности. В этом устройстве амплитудный динамический диапазон находится в обратно пропорциональной зависимост с количеством квантований сигнала по времени, так как увеличение ампл туды запоминающего сигнала приводит к повышению времени обработки одног квантования, что приводит к сокращению количества квантований. Кроме того, в устройстве при больших скоростях нарастания пилообразного напряжения момент сравнения его с запо минаемым сигналом имеет большой разброс, что приводит к снижёнию точ ности запоминания. Таким образом, известные устройства не могут обеспечить запоминание однократных сигналов с большим амплитудным динамическим диапазоном с высокой точностью и в течение длительного времени. Большие возможности в этом направлении открывают приборы с зарядо вой связью (ПЗС). ПЗС обеспечиваютточную управляемую тактовым питанием задержку сигнала, которая может изменяться от сотен секунд до нескольких секунд. Они компактны, потребляют малую мощность, что позволя ет реализовать линии задёржки большого объема. Недостатком ПЗС является ограниченное время хранения аналоговой ин формации, вследствие сглаживания со временем запасенной информации, обу ловленного накоплением дополнительных носителей в объеме полупроводника и на границе кремний - двуокис кремния. Чтобы время хранения информации в ПЗС не ограничивалось временем теплов ой релаксации потенциальных ям, информацию нужно периодически Регенерировать., Это нетрудно сделать, если 1|нформ ация представлена в цифровой форме. При рециркуляции чисто аналоговой информации, на стабильность, линейность и другие характеристики налагаются очень жесткие требования. Поэтому исполь- зование ПЗС в известном устройстве без изменения его функциональной схемы не приведен к желаемому результату. Целью изобретения является повышение точности устройства и расширение его амплитудного динамического диапазона. Поставленная цель достигается тем, что в аналоговое запоминающее устройство, содержащее основной накопительный элемент, генератор тактовых импульсов, первый выход которого соединен с входом формирователя фазных напряжений, выход которого соединен с первым входом основного накопительного элемента, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, ключи, блок управления, первый и второй входы которого подключены к шинам управления и сброса,. введены дополнительный накопительный элемент, элемент И, счетчики, сумматор и усилитель, первый вход которого соединен с выходом основного накопительного .элемента и с первым входом первого ключа, второй вход первого ключа соединен с выходом первого элемента И, выход первого ключа соединен со входом дополнительного накопительного элемента, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выход блока сравнения подключен к второму входу усилителя, выход которого соединен с первым входом -второго ключа, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом третьего ключа, первый вход четвертого ключа является входом устройства, выходы второго, третьего и четвертого ключей соединены с входами сузЛматЪра, выход которого соединен с вторым входом основного Накопительного элемента и является выходом устройства, выход первого счетчика соединен с третьим входом блока управления, первый и второй входы первого элемента И соединены соответственно с первым выходом второго счетчика и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым выходом второго счетчика, второй вЕлход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, выход

которого соединен с вторьом входом четвертого ключа и с первым входом первого счетчика, второй вход первог счетчика соединен с вторьм выходом блока управления, четвертый выход которого соединен с вторым входом второго ключа, третий вход третьего элемента И соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов и с первым входом второго счетчика, второй вход которого соединен с первым выходом блока управления, выход второго элемента И соединен с,вторым входом третьего ключа.

Сущность изобретения заключается в том, что аналоговый сигнал преобразуют зв набор из m дискретных выборок, каждая 1, (п+1), (2п+1) дискретнай выборка п 1 - т, п -S-,

где К - целое число, заменяется разной по длительности выборкой эталонного Напряжения. Полученную последовательность запоминают с помощью ПЗС, при считывании последовательности КЗ ПЗС выделяют выборку эталонного напряжения, сравнивают ее с напряжением источника эталонного напряжения и по степени деградации выборки эталонного напряжения вырабатывают воздействие на всю последовательность выборок, следующую за эталон ной, компенсирующее деградацию.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство содержит накопительный элемент 1, выполненный на приборе с зарядовой связью, генератор 2 тактовых импульсов, формирователе 3. фаз.ных напряжений, источник 4 опорного напряжения, блок 5 сравнения, ключи 6-9, дополнительный накопительный эл,мент 10, вьшолненный, например, в ви:де конденсаторной запоминающей ячейки, элементы И 11 - 13, блок14 управления, счетчики 15 и 16, сумматор 17, шину 18 управления, шину -19 сброса, усилитель 20 с регулируемым коэффициентом усиления. Блок 5 сравнения может быть выполнен в виде дифференциального усилителя.

Устройство работает следующим образом.

До прихода импульса на шину 18 ключи 7 и 9 закрыты, а ключ 8 пропускает эталонное напряжение с источника 4 на вход сумматора 17 только при каждом 1, (п+1), .(2п+1-м) и т.д. тактовом импульсе, на выходе сумматора 17 присутствуют выборки эталонного сигнала с длительностью, равной длительности тактового сигнала, номер ко,торых соответствует 1, .(п+1), (2п+1) и . импульсам генератора 2 тактовой частоты. Выборки эталонного

напряжения поступают на вход элемента 1 и на выход устройства. Каждая из выборок эталонного напряжения появляется на выходе элемента ПЗС через время, равное тТ, где m - чис тактов переноса прибора с зарядовой связью, Т - период тактовых импульсов. Причем число п выбирается таки

чтобы К, где К- целое число,

а время ПТ не превышало бы времени хранения дополнительного накопительного элемента 10 при заданной точности. При таком условии время появления выборки эталонного напряжения на входе и выходе элемента 1 будет совпадать. Выборки эталонного напряжения, проходя через ПЗС, задерживаются на время, равное п«Т, и деградируют по амплитуде. С выход ПЗС каждая выборка, например первая через ключ 6 поступает на дополнительный накопительный элемент 10 до прихода следующей выборки эталонного напряжения. Блок 5 сравнения сравнивает величину напряжения, поступающего с источника 4 опорного напряжения с „величиной напряжения выборки эталонного сигнала из элемента 10 и вырабатывает напряжение регулировки усиления усилителя 20. Коэффициент усиления усилителя 20 устанавливается таким, чтобы напряжение эталонной выборки на его выходе совпадало с уровнем эталонного напряжения, и уточняется после прихода на его вход каждой последующей выборки эталонного напряжения с выхода ПЗС 1.

Временные диаграммы иллюстрируют работу устройства.при условии, что

является разрешающим.

уровень

а уровень О - запрещающим прохождение сигнала через элементы. И, ключи. Временные диаграммы представлены для случая , .

После прихода пускового импульса на выходах блока 14, который предсталяет собой логический блок, выполненный на триггерах, элементах И-НЕ, формируются сигналы, как показано на диаграммах 14а, 14в, 14г. Сигнал 14б является разрешающим для прохождения тактовых импульсов на счетчик 15, сигнал 14а является запрещающим для прохождения импульсов на вход ключа 6. Передним фронтом запрещающего сигнала 14а счетчик 16 устанавливается в нулевое положение, счетчи 16 вырабатывает сигналы разрешения диаграммы 16а для прохождения на сумматор 17 эталонного напряжения и сигнала запрета - диаграмма 166 для прохождения исследуемого сигнала в то время, когда на входе сумматора 17 присутствует эталонный сигнал. Счетчик 16 формирует выходные импульсы на 1, (п+1), (2п+1) тактовые импульсы, пришедшие На него после пускового импульса. На выходе элемента

13И форглируется последовательность тактовых импульсов, в которой 1, (п.+1), {2п+1Г импульсы отсутствуют. Эта последовательность поступает на управляющий вход ключа 9 и счетчик

15; Ключ 9 производит квантование запоминаемого аналогового сигнала по времени, т.е. преобразование его в последовательность импульсов, амплитуда которых соответствует мгновенным значениям амплитуды аналогового .сигнала в моменты времени, соответствующие наличию сигнала на управляющем входе ключа 9. Счетчик 15 имеет коэффициент пересчета (т-К). Каждый импульс, кратный (т-К) на входе счетчика 15р вырабатывает на его выходе сигнал, который устанавливает блок .14 управления в исходное положение, На втором и четвертом выходах и блока

14управления в этот момент появляется запрещающий уровень для прохождения через ключ 8 эталонного напряжения и разрешающий уровень .для прохожЛения через ключ б выходного сигнала усилителя 20 с регулируемьом коэффициентом усиления. Счетчик 15 работает ровно столько времени, сколько его необходимо для прохождения любой выбо ки через ПЗС 1 с его входа на выход ( тТ). Сигнал на первом выходе блока 14 управления (диаграмма 14а) разрешает прохождение выборок эталонного напряжения, прошедших через

ПЗС 1 в элемент 10, и в каждом периоде осуществляется корректировка коэффициента усиления усилителя 20. Так как ключ 7 открыт сигналом с четвертого выхода блока14 управления (диаграмма 14г) , а ключи 8 и 9 закрыты , то на вход ПЗС 1, а следовательно, и на выход устройства поступают выборки аналогового сигнала, задержанные на время тТ. Через время т-Т выборки аналогового сигнала вновь появляются на выходе и т.д., т.е. циркулируют до тех .пор, пока на шину 19 не поступит сигнал Сброс, который устанавливает устройство в первоначальное состояние и прерывает .церь обратной связи.

После прихода импульса Сброс, хотя еще на выходе ПЗС 1 будут присутствовать сигналы предыдущей выборки, устройство уже готов.р для запоминания следующей выборки аналогового сигнала, приходящего на вход.

Сигнал сброса может в устройстве формироваться автоматически путем счета импульсов, поступающих со счетчика 16 после прихода пускового иътульса и сравнения кода дополнительного счетчика 16 с заранеее заданным кодом.

, Таким образом, в предложенном устройстве аналоговый сигнал хранится сколь угодно долго, пока замкнута цепь обратной связи. Регенерация информации производится по ступени дегра,дации выборк. эталонного напряжения, соответствующей 1, (п+1), (2n-t-l) номеру импульса тактового сигнала.

Алгоритм работы предложенного устройства не предусматривает никаких преобразований амплитуды, как это имеет место в известном устройстве, в котором амплитуда запоминающего сигнала преобразуется во времени. Поэтому объем памяти- накопительного элемента в предложенном устройстве определяется числом квантований запоминающего сигнала по времени.

В известном устройстве объем памяти накопительного элемента определяется произведением числа квантований по времени на число градаций по амплитуде. Следовательно, в предложенном устройстве амплитудный динами.ческий диапазон -сигнала не ограничивается объемом памяти, а определяется возможностями ПЗС и может составлять 100.

Кроме того, этопозволяет увеличить количество квантований по времени , опр.еделяю14ее точность запоминания, в число раз, равное в известном устройстве числу градаций запомийаемого сигнала по амплитуде. Если в известном устройстве число градаций по амплитуде равно 10, то в предлагаемом устройстве число квантований, определяющее точность запоминания, увеличивается в 10 раз.

Преимущества используемого накопительного элемента - большой объем памяти, компа1 тность, малая потребляемая мощность,, точная, управляемая задержка.

Использование предложенного устройства наиболее эффективно там, где необходимо большое число квантований сигнала по времени, в частности при зап.оГШнании электрического аналога видеоизображения (телевизионный кадр

Напри1 зер, при. числе разложения телевизионного кадра на () дискретных элементов и при числе градаций по амплитуде (яркости) равном 32, необходимо иметь объем памяти накопительного элемента в известном ( -32) ячеек, что является дорогостоящим и сложньпл устройством.

Предложенное утсройство разработано специально для ПЗС, крторый позволяет реализовать, например () ячеек в одном кристалле.

Формула изобретения

Аналоговое запоминающее устройство, содержащее основной накопительный элемент, генератор тактовых импульсов, первый выход к-оторого соединен, со входом формирователя фазных .напряжений, выход которого соединен с первым входом основного накопительного элемента, источник опорного напряжения, выход которого соединен с первым входом блрка сравнения, ключи, блок управления/ первый и второй входы которого подключены к шинам управления и сброса, отличаюйГ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства и расширения его амплитудного динамического диапазона, в него введены дополнительный накопительный элемент, элементы И, счетчики, сумматор и усилитель, первый вход которого соединен с выходом основного накопительного элемента и с первым входом первого ключа, второй вход первого ключа соедииен с выходом первого элемента И, выход первого ключа соединен со входом дополнительного накопительного элемента, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения, выход блока сравнения подключен ко йторому Bx ду усилителя, выход которого соединен с первым входом второго ключа, выход ис точника опорного напряжения соединен с первым входом третьего ключа, пер|вый вход четвертого ключа является входом устройства, выходы второго, третьего и четвертого ключей соединены со входами сумматора, выход которого соединен со вторым входом основного накопительного элемента и явля ется выходом устройства, выход первого счетчика соединен с третьим входом блока управления, первый и второй входы первого элемента И соединены соответственно с первым выходом второго счетчика и с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами второго и третьего элементов И, второй вход второго элемента И соединен с первым выходом второго счётчика, второй выход которого соединен со вторым входом третьего элемента И, выход которого соединен со вторым входом четвертого ключа и с первым входом первого счетчика, второй вход первого счетчика соединен со вторым выходом блока управления, четвертый выход которого соединен со вторым входом второго ключа, третий вход третьего элемента И соединен со вторым выходом генератора тактовых импульсов и с первым входом второго счетчика, второй вход которо-. го соединен с первым выходом блока управления,.выход второго элемента И соединен со вторым входом третьего ключа. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторсское свидетельство СССР 360695 кл. G 11 С 27/00, 1971. 2.Абюрское свидетельство СССР № 769634, кл. 6 ПС 27/00, 1978 (прототип) .