Генератор импульсов

 

Изобретение относится к импульсной технике. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости в условиях высокоинтенсивных электрических помех (ЭП). Генератор импульсов (ГИ) содержит элементы (1, 2) ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор (И) (3), выполненный на базе триггера Шмитта и И (4), резисторы (Р) (5-8), конденсаторы (К) (9-11), диоды (12, 13), общую шину (14). Устойчивость ГИ к воздействию внешних ЭП обеспечивается устойчивостью к ЭП управляемого коммутатора (УК) на базе элемента (2) и И (3). Если кратковременный импульс ЭП изменит состояние элементов (1) или (2), И (3) или И (4), или нескольких одновременно, то УК тут же восстановит состояние сбившегося элемента (элементов), поскольку состояние УК является помехоустойчивым, если длительность ЭП не превышает постоянную времени интегрирующей цепи Р (8), К (11), включенной в цепь обратной связи УК. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.

Известен генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР №1095360 от 13.04.82, МКИ: Н 03 К 3/28 "Мультивибратор", автор В.Ф.Голоколосов, опубл. 30.05.84, бюл. №20), содержащий два инвертора, выход первого из которых через первый конденсатор соединен с входом второго инвертора, а выход второго инвертора через второй конденсатор соединен с входом первого инвертора, логический элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй резисторы, третий конденсатор. Первый вход логического элемента ИЛИ-НЕ соединен с входом первого инвертора и через первый резистор - с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ, второй вход которого соединен с входом второго инвертора и через второй резистор - с выходом логического элемента ИЛИ-НЕ. Выход логического элемента ИЛИ-НЕ через третий конденсатор подключен к общей шине генератора импульсов.

Недостатком данного генератора импульсов является его низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.

Известен генератор импульсов (см. книгу: "Справочник по микроэлектронной импульсной технике", авторы В.Н.Яковлев и др., Киев, "Технiка", 1983, стр.216, рис. 9.3а), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и выбран в качестве прототипа, содержащий первый и второй элементы ИЛИ-НЕ, первый и второй конденсаторы, первый и второй диоды, первый и второй резисторы, первый и второй выходы, шину источника питания. Первый вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с первым выводом первого резистора, с анодом первого диода и через первый конденсатор - с вторым входом первого элемента ИЛИ-НЕ и с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ. Первый вход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с первым выводом второго резистора, с анодом второго диода и через второй конденсатор - с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ. Катоды первого и второго диодов и вторые выводы первого и второго резисторов соединены с шиной источника питания. Выходы первого и второго элементов ИЛИ-НЕ являются соответственно первым и вторым выходами генератора импульсов.

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех. Воздействуя по цепи питания или по входам логических элементов ИЛИ-НЕ, такая помеха может привести к сбою генератора импульсов, выражающемуся в изменении фазы его генерации, приводящему к уменьшению длительности формируемого периода колебаний. Пусть, например, генератор импульсов находится в состоянии, когда на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ действует сигнал "лог.1", тогда на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ и на втором входе первого элемента ИЛИ-НЕ действует сигнал "лог.0", первый конденсатор заряжается через первый резистор от источника питания, при этом на первом входе первого элемента ИЛИ-НЕ - сигнал "лог.0"; второй конденсатор разряжен, при этом на обоих входах второго элемента ИЛИ-НЕ - сигнал "лог.1". Если напряжение помехи, кратковременно воздействуя, например, по цепи первого входа первого элемента ИЛИ-НЕ, вызовет его переключение в состояние "лог.0" на выходе, сигнал "лог.0" будет действовать по обоим входам второго элемента ИЛИ-НЕ, на выходе последнего появится сигнал "лог.1", подтверждающий состояние первого логического элемента ИЛИ-НЕ после прекращения сигнала помехи. Генератор импульсов перейдет в новое состояние, которое продлится до тех пор, пока второй конденсатор не зарядится до напряжения, равного порогу переключения второго элемента ИЛИ-НЕ по первому входу. Если сбой генератора произойдет в момент времени, когда второй конденсатор еще полностью не разряжен, то последующий формируемый полупериод колебаний также будет меньше нормального. Таким образом, под действием напряжения помехи генератор импульсов может несанкционированно изменить фазу колебаний, длительность формируемого в это время периода колебаний за счет этого уменьшается (за счет уменьшения как текущего, так и следующего полупериодов).

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение помехоустойчивости генератора импульсов в условиях высокоинтенсивных электрических помех.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе импульсов, содержащем первый и второй логические элементы, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый и второй диоды, причем вход первого логического элемента соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, а выход - с входом второго логического элемента, выход которого через последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор соединен с катодом первого диода, новым является выполнение логических элементов в виде инверторов, причем первый инвертор выполнен на базе триггера Шмитта, и введение дополнительно первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третьего и четвертого резисторов, третьего конденсатора, первый вывод которого соединен с выходом второго инвертора, а второй вывод через третий резистор соединен с анодом второго диода, с первым выводом четвертого резистора и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с катодом первого диода и со вторым выводом четвертого резистора, а выход - с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, с катодом второго диода и с анодом первого диода, а выход - со вторым выводом первого резистора, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить помехоустойчивость генератора импульсов за счет разделения между его элементами функций формирования задержки и коммутации состояний и выполнения коммутатора состояний в виде помехоустойчивой структуры.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.

Генератор импульсов содержит элементы 1 и 2 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инверторы 3 и 4, причем инвертор 3 выполнен на базе триггера Шмитта, резисторы 5, 6, 7 и 8, конденсаторы 9, 10 и 11, диоды 12 и 13, общую шину 14. Первый вход элемента 1 соединен с анодом диода 12 и с первыми выводами резисторов 5 и 7. Второй вход элемента 1 соединен с катодом диода 13, с первым выводом резистора 7 и со вторым выводом резистора 6. Выход элемента 1 соединен с первым входом элемента 2, второй вход которого соединен с выходом инвертора 3, с входом инвертора 4, с катодом диода 12 и с анодом диода 13, а выход через резистор 8 соединен с первым выводом конденсатора 11 и с входом инвертора 3. Выход инвертора 4 через конденсаторы 9 и 10 соединен соответственно со вторыми выводами резисторов 5 и 7. Второй вывод конденсатора 11 соединен с общей шиной 14. В качестве выходов генератора импульсов могут использоваться выходы инверторов 3 (ВЫХ1) и 4 (ВЫХ2). Структура, построенная на основе элемента 2 и инверторов 3, 4, представляет собой управляемый коммутатор состояний генератора импульсов.

Генератор импульсов работает следующим образом. При включении напряжения питания (цепи питания элементов 1, 2 и инверторов 3, 4 на фиг.1 для простоты не показаны) на входе инвертора 3 за счет разряженного конденсатора 11 некоторое время удерживается потенциал "лог.0", на выходе инвертора - сигнал "лог.1", на выходе инвертора 4 - сигнал "лог.0". Под действием указанных сигналов конденсаторы 9 и 10 начинают заряжаться. Конденсатор 9 заряжается по цепи: выход инвертора 3, диод 13, резисторы 6 и 5, выход инвертора 4. Конденсатор 10 заряжается по цепи: выход инвертора 3, диод 13, резистор 7, выход инвертора 4. Поскольку величина сопротивления защитных резисторов 5 и 7, как правило, выбирается много меньше величины сопротивления времязадающего резистора 6, конденсатор 10 сравнительно быстро зарядится по экспоненциальному закону до напряжения, близкого к величине напряжения питания схемы (E-U_d≈ E, где U_d - падение напряжения на открытом диоде 13). Конденсатор 9 также стремится зарядиться по экспоненциальному закону до напряжения, близкого к величине напряжения питания Е, но скорость его заряда, определяемая сопротивлением резистора 6, существенно меньше. Соответственно, напряжение на первом входе элемента 1 близко к напряжению на конденсаторе 9 (см. временную диаграмму 15, фиг.2, интервал времени 0-t1), напряжение на втором входе элемента 1 близко к напряжению на конденсаторе 10 (см. временную диаграмму 16, фиг.2, интервал времени 0-t1). Поскольку в течение интервала времени 0-t1 на выходе элемента 1 присутствует сигнал "лог.1", на выходе элемента 2 - сигнал "лог.0", при этом через резистор 8 поддерживается разряженное состояние конденсатора 11. На выходе инвертора 3 поддерживается сигнал "лог.1" (см. временную диаграмму 17, фиг.2, интервал времени 0 – t1).

При достижении в момент времени t1 напряжением на первом входе элемента 1 значения, равного порогу переключения элемента 1 (U_пор1), сигнал на выходе последнего изменяется на "лог.0", соответственно изменяется сигнал на выходе элемента 2 ("лог.1"). Конденсатор 11 через резистор 8 начинает заряжаться, напряжение на нем стремится к значению, примерно равному Е. С задержкой, определяемой зарядом конденсатора 11, инвертор 3 переключается, на его выходе появляется сигнал "лог.0", в результате, на выходе инвертора 4 появляется сигнал "лог.1", на выходе элемента 2 - сигнал "лог.0". Одновременно начинается перезаряд конденсаторов 9 и 10. Конденсатор 9 перезаряжается с выхода инвертора 4 через резистор 5, диод 12 на выход инвертора 3; конденсатор 10 перезаряжается с выхода инвертора 4 через резисторы 7, 6, диод 12 на выход инвертора 3. На первом входе элемента 1 в течение интервала времени до момента t2 поддерживается потенциал, равный падению напряжения на открытом диоде 12. На втором входе элемента 1, сразу после переключения, напряжение определяется суммой напряжений на выходе инвертора 4 и остаточного напряжения на конденсаторе 10 (≈ Е/2), однако, с учетом наличия на входах элемента 1 защитных RD-структур, напряжение на втором входе элемента 1 не превысит значения Е+U_d, где U_d - падение напряжения на входном защитном диоде элемента 1. В результате, на выходе элемента 1 появится сигнал "лог.1", восстанавливающий сигнал "лог.1" на выходе элемента 4. Благодаря тому, что на входе инвертора 3 включена интегрирующая цепь (резистор 8, конденсатор 11), а инвертор 3 выполнен на базе триггера Шмитта (следовательно, имеет гистерезис по порогу переключения, характеризующийся тем, что порог, при котором инвертор переключается в состояние с "лог.0" на выходе, выше, чем порог, при котором инвертор переключается в состояние с "лог.1" на выходе), в процессе переключения управляемого коммутатора состояний (элемент 2, инвертор 3) на его выходах исключается паразитная высокочастотная генерация, характерная для усилительных каскадов, охваченных отрицательной обратной связью. Именно такую структуру представляет собой управляемый коммутатор состояний при переключении. Таким образом в схеме осуществляется устойчивость к воздействию внутренних помех, возникающих при переключении генератора импульсов. По мере перезаряда конденсатора 10 напряжение на втором входе элемента 1 понижается, причем, пока входное напряжение выше величины Е, перезаряд конденсатора 10 происходит через резистор 7 и входной защитный диод элемента 1, постоянная времени процесса перезаряда мала; когда входное напряжение снизится до уровня U_ВХ<Е, перезаряд конденсатор 10 будет происходить через резисторы 7 и 6, постоянная времени процесса перезаряда велика. При достижении напряжением на втором входе элемента 1 порога переключения этого элемента (U_пор2, момент времени t2), сигнал на выходе последнего изменяется на "лог.0", на выходе элемента 2 появится сигнал "лог.0", начинается разряд конденсатора 11 через резистор 8. С задержкой, определяемой разрядом конденсатора 11, инвертор 3 переключается, на его выходе появляется сигнал "лог.1". Соответственно, на выходе элемента 4 появится сигнал "лог.0", на выходе элемента 2 - сигнал "лог.1". Под действием этих сигналов начнется новый перезаряд конденсаторов 9 и 10, в процессе которого на втором входе элемента 1 фиксируется потенциал, близкий к величине Е, напряжение на первом входе элемента 1 возрастает по экспоненциальному закону. В дальнейшем процессы в схеме повторяются. Устойчивость генератора импульсов к воздействию внешних электрических помех, как следует из описания его работы, также обеспечивается устойчивостью к указанным помехам управляемого коммутатора состояний (структура, составленная из элемента 2 и инвертора 3). Действительно, если кратковременный импульс помехи изменит состояние элементов 1 или 2, инверторов 3 или 4, или нескольких элементов (инверторов) одновременно, управляемый коммутатор тут же восстановит состояние сбившегося элемента (элементов), поскольку состояние коммутатора является помехоустойчивым, если длительность помехи не превышает постоянную времени интегрирующей цепи, включенной в цепь его обратной связи (резистор 8, конденсатор 11).

Таким образом, из описания работы генератора импульсов следует, что он обладает устойчивостью к воздействию коротких высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.

Испытания лабораторного макета генератора импульсов подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого устройства.

Формула изобретения

Генератор импульсов, содержащий первый и второй логические элементы, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, первый и второй диоды, причем вход первого логического элемента соединен с первыми выводами первого резистора и первого конденсатора, а выход - с выходом второго логического элемента, выход которого через последовательно соединенные второй конденсатор и второй резистор соединен с катодом первого диода, отличающийся тем, что логические элементы выполнены в виде инверторов, причем первый инвертор выполнен на базе триггера Шмитта, дополнительно введены первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, третий и четвертый резисторы, третий конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом второго инвертора, а второй вывод через третий резистор соединен с анодом второго диода, с первым выводом четвертого резистора и с первым входом первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с катодом первого диода и со вторым выводом четвертого резистора, а выход - с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого инвертора, с катодом второго диода и с анодом первого диода, а выход - со вторым выводом первого резистора, второй вывод первого конденсатора соединен с общей шиной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2