УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДИНОЧНОГО ИМПУЛЬСА

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДИНОЧНОГО ИМПУЛЬСА
Разработчик (Авторы)	Крехов Виктор Евгеньевич, Фролов Роман Валентинович
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	218801
Дата регистрации	13.06.2023
Правообладатель	ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Область применения (класс МПК)	H03K 5/01 (2006.01)

Описание изобретения

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована в радиоэлектронных устройствах обработки дискретной информации, измерительной и вычислительной технике, а также в системах автоматического управления в условиях помех.

Известно устройство для выделения одиночного импульса, которое описано в журнале Информационные технологии, Том 28, №11, 2022 г., С. 583, рис. 1. Устройство для выделения одиночного импульса, содержит информационную и тактовую шины, триггер из двух элементов И-НЕ, схему И-НЕ, выход которой подключен ко второму входу триггера и к выходной шине, первый, второй и третий вход схемы И-НЕ подключены, соответственно, к выходу триггера, его первому входу и к тактовой шине, первый вход схемы И-НЕ и первый вход триггера соединены с информационной шиной непосредственно.

Недостатком такого устройство для выделения одиночного импульса являются низкие функциональные возможности, так как устройство выделяет на выходной шине укороченный тактовый импульс, что, для использования устройства в качестве синхронизатора, часто требует расширения импульса на выходной шине до длительности тактового импульса.

Известно устройство для выделения одиночного импульса, которое описано в книге Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, 12 изд., т. 1. Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с., С. 770, рис. 9.46. Устройство содержит два синхронизируемых фронтом триггера, элемент И, шину управления, шину тактовых импульсов и выходную шину, управляющая шина подключена к D-входу первого триггера, выход которого подключен к D-входу второго триггера и первому входу схемы И, второй вход которой соединен с выходом второго триггера, а шина тактовых импульсов подключена к тактовым входам обоих триггеров, для выделения тактового импульса введена вторая схема И, выход которой соединен с выходной шиной, а входы подключены к выходу первой схемы И и шине тактовых импульсов.

Недостаток устройства для выделения одиночного импульса в его сложности на большом количестве оборудования, требуемом для его реализации по схеме синхронного одновибратора, что снижает его конструктивную надежность, а сравнительно высокая помехоустойчивость из-за синхронизации фронтом тактового импульса не обеспечивает рациональной безызбыточной конструктивной и функциональной надежности.

Известно устройство для выделения одиночного импульса, которое описано в книге Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника, 12 изд., т. 1. Пер. с нем. - М: ДМК Пресс, 2008. - 832 с., С.771, рис. 9.50. Устройство содержит два синхронизируемых фронтом триггера, элемент исключающее ИЛИ, шину управления, шину тактовых импульсов и выходную шину, управляющая шина подключена к D-входу первого триггера, выход которого подключен к D-входу второго триггера и первому входу схемы исключающего ИЛИ, второй вход которой соединен с выходом второго триггера, а шина тактовых импульсов подключена к тактовым входам обоих триггеров, для выделения тактового импульса введена схема И, выход которой соединен с выходной шиной, а входы подключены к выходу схемы исключающего ИЛИ и шине тактовых импульсов.

Недостаток устройства для выделения одиночного импульса в его сложности на большом количестве оборудования, требуемом для его реализации по схеме детектора изменений, что снижает его конструктивную надежность, а сравнительно высокая помехоустойчивость из-за синхронизации фронтом тактового импульса не обеспечивает рациональной безызбыточной конструктивной и функциональной надежности, как и в случае использования для выделения одиночного полного тактового импульса синхронного одновибратора.

Известно устройство для выделения одиночного импульса, которое описано в книге Спиридонов СБ. "Схемотехника дискретных устройств" Учебно-методическое пособие 2020 г. - 224 с., С. 117, рис 5.36.

Устройство содержит синхронный, комбинированный с асинхронным D-триггером, синхронный динамический D-триггер, элемент И, шину управления, выходную шину и шину тактовых импульсов, которая подключена к тактовому входу синхронного динамического D-триггера, D-вход и выход которого подключен, соответственно, к выходу комбинированного D-триггера и первому входу элемента И, выход и второй вход которого соединен, соответственно, с выходной шиной и шиной тактовых импульсов, а инверсный выход синхронного D-триггера подключен к асинхронному установочному входу комбинированного D-триггера, С-вход которого подключен к шине управления.

Недостаток устройства для выделения одиночного импульса в его сложности на большом количестве оборудования, требуемом для его реализации по схеме двух синхронных динамических триггеров, один из которых является комбинированным по используемому входу асинхронной его установки в начальное состояние, что усложняет все устройство. Сравнительно высокая помехоустойчивость устройства, из-за синхронизации фронтом тактового импульса обоих D-триггеров, не обеспечивает рациональной безызбыточной конструктивной и функциональной надежности, так как требует большого количества логических переходов внутри триггеров, как и в случае использования для выделения одиночного полного тактового импульса подобных аналогов.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является Генератор импульсов (RU 212188, 2022 г.). Генератор импульсов содержит три элемента И-НЕ, первый и второй входы соответственно первого и второго из которых подключены ко входной шине, выход первого элемента соединен с первыми входами второго и третьего, выход второго элемента подключен ко второму входу третьего элемента, выход которого соединен со вторым входом первого, третий вход второго элемента подключен к тактовой шине, причем введены четвертый и пятый элементы И-НЕ, тактовая шина подключена к первому входу четвертого элемента, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и третьему входу первого элемента, а входная шина соединена с первым входом пятого элемента, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и третьему входу третьего элемента.

Недостаток такого устройства в его низкой надежности выделения одиночного импульса по длительности равного тактовому импульсу, что снижает функциональные возможности всего устройства. Такой недостаток связан с тем, что устройство выделяет полный одиночный импульс по длительности равный тактовому импульсу только в случае кратности частот, действующих на входной и тактовой шинах. При нарушении кратности частот выделяется одиночный импульс по длительности меньше длительности тактового импульса, причем, в зависимости от соотношения частот, длительность выделенного импульса станет настолько мала, что одиночный импульс будет пропущен, а такое устройство можно применять в качестве синхронизатора только при соблюдении условия кратности частот синхронизируемых импульсов.

Техническая задача состоит в повышении надежности выделения одиночного импульса по длительности равного тактовому импульсу и расширении функциональных возможностей устройства, заключающихся в разделении по времени тактового импульса и генерируемого потенциала укороченного импульса, сформированного из управляющего импульса синхронно с тактовым импульсом.

Технический результат состоит в возможности выделения одиночного тактового импульса и исключении его укорочения, пропуска при любых соотношениях частот входного и тактового импульса в условиях помех.

Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для выделения одиночного импульса содержит пять "элементов И-НЕ, выход первого элемента соединен с первыми входами второго и третьего элемента, выход второго элемента подключен ко второму входу третьего элемента, выход которого соединен со вторым входом первого элемента, тактовая шина подключена к первому входу четвертого элемента, причем, введен синхронный динамический D-триггер, информационный D-вход и тактовый С-вход которого подключены соответственно к входной и тактовой шине, выход D-триггера подключен к первому входу первого элемента и второму входу второго элемента, выход которого подключен к первому входу пятого элемента, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и второму входу четвертого элемента.

На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема устройства для выделения одиночного импульса; на фиг. 2 - временные диаграммы на входах и выходах элементов устройства для выделения одиночного импульса в результате работы его модели в программе MULTISIM.

Устройство для выделения одиночного импульса содержит входную шину 1, тактовую шину 2, синхронный динамический D-триггер 3 и пять элементов И-НЕ с 4 по 8, входная шина 1 подключена к информационному D-входу D-триггера 3, тактовая шина 2 подключена к первому входу седьмого элемента и тактовому С-входу D-триггера 3, выход которого подключен ко второму входу второго элемента 5 и к первому входу первого элемента 4, выход которого соединен с первыми входами третьего элемента 6 и второго элемента 5, выход которого подключен ко второму входу третьего элемента 6, выход которого соединен со вторым входом первого элемента 4, выход второго элемента 5 подключен к первому входу пятого элемента 8, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и второму входу четвертого элемента 7.

Описание работы устройства выделения одиночного импульса проводится при условии, что все его узлы выполнены на элементах И-НЕ. В частности, динамический D-триггер 3 выполнен по схеме Вебба. Элементы И-НЕ 1 - 3 с их связями представляют собой генератор коротких импульсов исходя из минимальной длительности 3t3 генерируемого короткого импульса, и который образуется на выходе элемента 5 генератора от действия фронта образуемого потенциала с выхода D-триггера 3, где t3 - время распространения сигнала в одном элементе И-НЕ. Элементы 1 и 2, а также элементы 7 и 8, попарно с их межсоединениями, представляют две простые бистабильные ячейки.

Устройство для выделения одиночного импульса работает следующим образом.

В исходном состоянии устройства для выделения одиночного импульса потенциалы на входной шине 1, тактовой шине 2 и на выходе Z1 D-триггера 3 соответствуют потенциалу логического нуля, а на выходе элемента 8 будет единичный потенциал Z4. Из-за действия нулевого потенциала Z1 на выходе D-триггера 3 на выходе элементов 4 и 5, которые являются элементами генератора коротких импульсов совместно с элементом 6, соответствуют потенциалу логической единице, что вызывает образование потенциала нуля Z3 на выходе элемента 6. В исходном состоянии на выходе устройства, т.е. на выходе Z3 элемента 7 образуются потенциал логического нуля. Импульс на выходе Z2 отсутствует, что соответствует его единичному потенциалу.

Изменения потенциала Uти тактового импульса на тактовой шине 2, когда потенциал Uy управляющего импульса на входной шине 1 еще нулевой, подтверждает нулевой потенциал Z1 на выходе D-триггера 3. Это приводит к тому, что на выходе Z2, являющегося выходом генератора коротких импульсов на элементах 4-6, действует потенциал логической единицы, который не может изменить нулевой потенциал Z3 на выходе элемента 7, поскольку на выходе элемента 8 продолжает действовать единичный потенциал Z4.

Изменение управляющего потенциала Uy на входной шине 1 во время действия тактовых импульсов на С-входе D-триггера 3 с тактовой шины 2 не вызывает изменения состояния всего устройства до тех пор, пока фронт Uти тактового импульса не опережает фронт потенциала управления с входной шины 1 на D-входе D-триггера 3.

При изменении потенциала управления Uy на единичный на D-входе D-триггера 3 с входной шины 1, от фронта тактового импульса на С-входе D-триггера 3 с задержкой на время распространения сигнала в этом триггере, возникает единичный потенциал Z1 на выходе D-триггера 3. Фронт потенциала Z1 на входе элементов 4 и 5 вызывает на выходе генератора коротких импульсов процесс генерации короткого нулевого потенциала Z2, длительность действия которого определяется временем распространения сигнала в трех элементах 4-6 И-НЕ. После действия короткого импульса на выходе элемента 2 потенциал на выходе Z3 элемента 7 изменится на единичный, а на входе элемента 8 продолжает действовать единичный потенциал тактового импульса с тактовой шины 2. Следовательно, на выходах элементов 7 и 8 образованы противоположные потенциалы такие, что Z3=1, a Z4=0.

Как только потенциал Uти на тактовой шине 2 изменится на нулевой, который, воздействуя на первый вход элемента 8, переводит его в противоположное состояние, так что Z4=1, a Z3=0. Следовательно, на выходе элемента 7 образуется одиночный импульс, длительность которого равна тактовому импульсу, а на выходе элемента 8 образован инвертированный одиночный импульс Z4, длительность которого также равна длительности тактового импульса.

Последующее продолжение действия единичного управляющего потенциала Uy с входной шины 1 на D-вход D-триггера 3 не вызывает его изменения под действием последующих тактовых импульсов Uти с тактовой шины 2 на С-вход этого триггера. До окончания действия единичного управляющего потенциала Uy с входной шины 1 управления сохраняется единичное состояние Z1 на выходе D-триггера 3, единичное состояние Z2 выхода элемента 5 и нулевое состояние Z3 на выходе элемента 7. Следовательно, на выходе устройства изменения нулевого потенциала не происходит.

Изменение управляющего потенциала Uy на нулевой с входной шины 1 на D-вход D-триггера 3 не вызывает изменения единичного состояния Z1 его выхода под действием последующих тактовых импульсов Uти с тактовой шины 2 на С-вход этого триггера до тех пор, пока фронт тактового импульса не опередит срез управляющего потенциала с входной шины 1. Как только фронт тактового импульса с шины 2 опередит срез управляющего потенциала с входной шины 1, потенциал выхода D-триггера 3 изменится на нулевой, так что Z1=0. Однако изменений потенциала Z2 на выходе элемента 5 и на выходе Z3 элемента 7 не происходит. Устройство находится в исходном состоянии до тех пор, пока не произойдет изменения потенциала на входной шине 1 вновь на единичный потенциал.

В дальнейшем все процессы выделения одиночного (тактового) импульса повторяются аналогично как было описано от исходного состояния устройства. На выходе элемента 7, являющегося выходом всего устройства, выделяется полный одиночный тактовый импульс с исключением несоответствующего одинакового состояния Z3 и Z4 на выходах элементов 7 и 8, которые всегда противоположны и не вызывают неправильного выделения одиночного тактового импульса на выходе устройства.

В результате предельно возможного укорочения действия потенциала с выхода Z1 синхронного D-триггера 3 генератором коротких импульсов на элементах 4 - 6 на выходе Z2 элемента 5, бистабильная ячейка на элементах 7 и 8 работает без ложных сбоев. Соответственно ошибкоустойчивость предложенного устройства не ниже, чем в прототипе из-за гарантированного исключения одинаковости активных потенциалов, которые могут воздействовать на оба входа бистабильной ячейки на элементах 7 и 8, а такое устройство можно использовать с гарантией его работоспособности при любых соотношениях входных частот импульсов. Надежность выделения тактового импульса выше, чем у прототипа и устройство может быть использована в радиоэлектронных устройствах обработки дискретной информации, измерительной и вычислительной технике, а также в системах управления в условиях помех при любом соотношении частот входных импульсов. В предлагаемом устройстве, благодаря временного гарантированного разнесения входных сигналов бистабильной ячейки на элементах 7 и 8 с использованием укорачивающего генератора на элементах 4 - 6 с их связями, достигается исключение критичности параметров генерируемого одиночного импульса за счет исключения причин сбоя при любых соотношениях частот входных импульсов с шин 1 и 2. Работоспособность устройства для выделения одиночного импульса проверена программой моделирования "MULTISIM".

Решение технической задачи повышения надежности выделения полного тактового импульса предлагаемого устройства на пяти логических элементах И-НЕ с введением динамического триггера и доведение отказоустойчивости любой части устройства до предупреждения сбоя при любых соотношениях частот входных импульсов, позволило обеспечить технико-экономические преимущества предложенного схемотехнического решения по сравнению с прототипом и базовым объектом. При сравнении с базовым объектом, который строится на двух синхронных триггерах, и который рассмотрен в первых абзацах на стр. 3, предложенное устройство проще по количеству используемого оборудования. Это объясняется тем, что динамические триггеры строятся по схеме Вебба на 6 элементах, что сложнее предложенного, которое использует 5 элементов после динамического D-триггера.

Формула полезной модели

Устройство для выделения одиночного импульса, содержащее пять элементов И-НЕ, выход первого элемента соединен с первыми входами второго элемента и третьего элемента, выход второго элемента подключен ко второму входу третьего элемента, выход которого соединен со вторым входом первого элемента, тактовая шина подключена к первому входу четвертого элемента, отличающееся тем, что введен синхронный динамический D-триггер, информационный D-вход и тактовый С-вход которого подключены соответственно к входной шине и тактовой шине, выход D-триггера подключен к первому входу первого элемента и второму входу второго элемента, выход которого подключен к первому входу пятого элемента, второй вход и выход которого подключены соответственно к выходу и второму входу четвертого элемента.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ОДИНОЧНОГО ИМПУЛЬСА" (Крехов Виктор Евгеньевич, Фролов Роман Валентинович ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога