Триггерное устройство

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления. Технический результат заключается в уменьшении тока потребления от источника питания. Устройство содержит RS-триггер (1), два элемента И-НЕ (2)-(3), элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (4), инвертор (5), четыре резистора (6)-(9), конденсатор (10), элемент памяти на магнитном сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса с обмотками записи и считывания (11), два диода (12)-(13), управляющий вход (14) и общую шину (15). 1 ил.

 

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

Известно триггерное устройство (см. авторское свидетельство СССР №970650 от 03.04.81, МКИ: Н 03 К 3/286 "Триггерное устройство" (его варианты)", автор Г.И.Шишкин, опубл. 30.10.82, бюл. №40), содержащее входную шину, общую шину, шину питания, RS-триггер, первый и второй элементы памяти на магнитных сердечниках с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) с обмотками записи и считывания, первый и второй диоды, первый и второй конденсаторы, первый и второй резисторы, первый и второй логические элементы "Исключающее ИЛИ". Входы обмоток считывания первого и второго элементов памяти соединены с общей шиной, а выходы обмоток считывания через соответственно первый и второй диоды, включенные в прямом направлении относительно источника питания, соединены соответственно с входами установки и сброса RS-триггера, которые соединены с общей шиной через соответственно первый и второй конденсаторы и с шиной питания через соответственно первый и второй резисторы. Выходы обмоток записи первого и второго элементов памяти соединены между собой, а входы обмоток записи соединены с выходами соответственно первого и второго логических элементов, первые входы которых соединены с входной шиной, а вторые входы - соответственно с прямым и инверсным выходами RS-триггера.

Недостатками данного устройства являются его сравнительная сложность, связанная с использованием двух элементов памяти, а также сравнительно большой ток потребления схемы от источника питания.

Известно триггерное устройство (см. патент РФ №1734563 от 02.04.90, МКИ: Н 03 К 3/286 "Триггерное устройство", авторы Л.Б.Егоров и Г.И.Шишкин, опубл. 10.09.97, бюл. №25), которое является наиболее близким по технической сущности и выбрано в качестве прототипа, содержащее RS-триггер, элемент "Исключающее ИЛИ", инвертор, два резистора, конденсатор и элемент памяти на магнитном сердечнике с ППГ с обмотками записи и считывания. Входы сброса и установки RS-триггера через первый и второй резисторы соединены соответственно с входом и выходом обмотки считывания элемента памяти, вход и выход обмотки записи элемента памяти подключены соответственно к выходу элемента "Исключающее ИЛИ" и к выходу инвертора, вход которого соединен с выходом элемента "Исключающее ИЛИ", первый вход которого является управляющим входом триггерного устройства, а второй вход подключен к прямому выходу RS-триггера. Средняя точка обмотки считывания элемента памяти соединена с общей шиной. Вход сброса RS-триггера через конденсатор соединен с его входом установки.

Недостатком прототипа является сравнительно большой ток потребления схемы от источника питания.

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является уменьшение тока потребления от источника питания.

Указанный технический результат достигается тем, что в триггерном устройстве, содержащем RS-триггер, между входами сброса и установки которого подключен конденсатор, элемент "Исключающее ИЛИ", инвертор, два резистора и элемент памяти на магнитном сердечнике с ППГ с обмотками записи и считывания, входы сброса и установки RS-триггера соединены с первыми выводами соответственно первого и второго резисторов, вход обмотки записи соединен с входом инвертора и выходом элемента "Исключающее ИЛИ", первый вход которого является управляющим входом триггерного устройства; новым является введение третьего и четвертого резисторов, первого и второго диодов, первого и второго элементов И-НЕ, первые входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами RS-триггера, а вторые входы соединены соответственно с выходами второго и первого элементов И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ соединен со вторым входом элемента "Исключающее ИЛИ", аноды первого и второго диодов подключены соответственно к входам сброса и установки RS-триггера, а катоды соединены соответственно со вторыми выводами первого и второго резисторов и соответственно с выходом и входом обмотки считывания, средняя точка которой через третий резистор подключена к общей шине, выход обмотки записи через четвертый резистор подключен к выходу инвертора.

Указанная совокупность существенных признаков позволяет уменьшить ток потребления триггерного устройства от источника питания за счет возможности уменьшения тока подмагничивания сердечника.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема триггерного устройства. Триггерное устройство содержит RS-триггер 1, элементы И-НЕ 2, 3, элемент 4 "Исключающее ИЛИ", инвертор 5, резисторы 6, 7, 8, 9, конденсатор 10, элемент 11 памяти, содержащий магнитный сердечник с ППГ с обмотками записи и считывания, диоды 12, 13, управляющий вход 14, общую шину 15. Вход сброса RS-триггера 1 через резистор 6 соединен с выходом обмотки считывания элемента памяти 11. Вход установки RS-триггера 1 через резистор 7 соединен с входом обмотки считывания. Между входами сброса и установки RS-триггера подключен конденсатор 10. Резисторы 6 и 7 шунтированы соответственно диодами 12 и 13, причем катоды диодов 12, 13 подключены соответственно к выходу и входу обмотки считывания. Первый вход элемента 4 "Исключающее ИЛИ" соединен с управляющим входом 14. Прямой и инверсный выходы RS-триггера 1 соединены соответственно с первыми входами элементов 2 и 3 И-НЕ; второй вход элемента 2 соединен с выходом элемента 3; второй вход элемента 3 соединен с выходом элемента 2 и со вторым входом элемента 4 "Исключающее ИЛИ", выход которого соединен с входом инвертора 5 и с входом обмотки записи элемента 11 памяти. Выход обмотки записи через резистор 9 соединен с выходом инвертора 5. Средняя точка обмотки считывания через резистор 8 подключена к общей шине 15. RS-триггер содержит третий 16 и четвертый 17 элементы И-НЕ, при этом первые входы элементов 16 и 17 соединены соответственно с входами установки и сброса RS-триггера, второй вход элемента 16 соединен с выходом элемента 17 и является инверсным выходом RS-триггера 1; второй вход элемента 17 соединен с выходом элемента 16 и является прямым выходом RS-триггера 1.

Триггерное устройство работает следующим образом. При включении питания (цепи питания логических элементов 2, 3, 4, 5, 16, 17 на чертеже не показаны) триггерное устройство установится в состояние, соответствующее состоянию элемента 11 памяти, которое он приобрел в предыдущем цикле работы. Рассмотрим случай, когда сердечник элемента 11 памяти был намагничен в состояние "лог. 0" (что соответствует протеканию тока в обмотке записи от конца обмотки к ее началу, начало обмотки на чертеже обозначено знаком ⁽*⁾). Если после включения питания RS-триггер 1 установится в состояние, при котором на его прямом (выход элемента 16) и инверсном (выход элемента 17) выходах присутствуют сигналы "лог.1", RS-триггер, составленный из элементов 2 и 3, может находиться в состоянии, при котором на выходе элемента 2 установится либо сигнал "лог.0", либо сигнал "лог.1". Если на выходе элемента 2 установился сигнал "лог.0", то при отсутствии сигнала на управляющем входе 14 на выходе элемента 4 также установится сигнал "лог.0", на выходе инвертора 5 - сигнал "лог.1". Ток, протекающий в обмотке записи сердечника элемента 11, имеет направление от конца обмотки к ее началу, то есть подтверждает состояние сердечника элемента 11. В обмотке считывания сердечника элемента 11 при этом появляется короткий импульс помехи, являющийся следствием непрямоугольности петли гистерезиса сердечника элемента 11.

Импульс помехи приложен плюсом к выходу обмотки считывания относительно ее входа, при этом разность потенциалов между входом и выходом обмотки считывания определяется соотношением между количеством витков обмоток записи и считывания. Для нормальной работы устройства количество витков обмотки считывания следует выбирать в два раза большим количества витков обмотки записи, сопротивление резистора выбирается с таким расчетом, чтобы амплитуда рабочего импульса на обмотке записи была равна примерно половине напряжения питания. В этом случае амплитуда импульса помехи на выходе обмотки считывания может достигать значения, близкого к величине напряжения питания. При расчете потенциала на входе установки RS-триггера (на первом входе элемента 16) необходимо учесть влияние диода входной защитной цепи RS-триггера 1 по S-входу. С учетом этого напряжения на R- и S-входах триггера 1 в начальный момент времени будут:

где Ud - падение напряжения на диоде входной защитной цепи по S-входу триггера 1.

Напряжения на выводах обмотки считывания при этом составят:

где Uвх, Uвых и Ucp - соответственно напряжения на входе, выходе и в средней точке обмотки считывания, Ud1 - падение напряжения на диоде 13, Е - напряжение питания устройства. Величины падений напряжений на диоде входной защитной цепи и диоде 13 принимаем одинаковыми и равными величине Ud.

В дальнейшем, по мере заряда конденсатора 10, напряжения на R- и S-входах триггера 1 будут стремиться к значениям соответственно -2Ud+E и -Ud, поскольку после заряда конденсатора 10 ток через резистор 6 прекратится. Из этого следует, что если постоянная времени заряда конденсатора 10 выбрана больше, чем длительность импульса помехи на выходе обмотки считывания, то указанная помеха не изменит состояние RS-триггера, которое было определено вначале ("лог.0" на R- и S-входах триггера 1 формирует состояния "лог. 1" на прямом и инверсном выходах триггера 1). После окончания импульса помехи на обмотке считывания напряжения на всех ее выводах и на R- и S-входах триггера 1 установятся равными нулю. Если после включения питания на выходе элемента 2 установился сигнал "лог. 1', то при отсутствии сигнала на входе 14 на выходе элементов 2 и 4 - сигнал "лог.1", на выходе инвертора 5 - сигнал "лог.0". В обмотке записи элемента 11 через резистор 9 потечет ток от начала обмотки к ее концу, при этом сердечник элемента памяти 11 начинает перемагничиваться в состояние "лог.1". На выходе обмотки считывания появляется напряжение, приложенное плюсом к входу обмотки считывания, при этом напряжения на выводах обмотки считывания составят:

На R- и S-входах триггера 1 в первый момент времени установятся напряжения:

В этом случае привязка выхода обмотки считывания к потенциалу общей шины 15 осуществляется через диод входной защитной цепи RS-триггера 1 по S-входу и диод 12. Принимаем величины падения напряжения на указанных диодах одинаковыми и равными значению Ud. После заряда конденсатора 10 на входах сброса и установки будут действовать напряжения:

На выходе элемента 17 установится сигнал "лог.1", на выходе элемента 16 - сигнал "лог.0", под действием этих сигналов на выходе элемента 2 установится сигнал "лог.0", на выходе элемента 3 - сигнал "лог.1", то есть RS-триггер, составленный из элементов 2 и 3, установится в состояние, соответствующее состоянию элемента памяти 11. Ток в обмотке записи изменит свое направление на противоположное. На выходе обмотки считывания при этом возникнет импульс помехи, плюсом приложенный к выходу обмотки считывания, который на вход RS-триггера 1 не пройдет и не вызовет изменения его состояния. По окончании импульса помехи на всех выводах обмотки считывания и на R- и S-входах триггера 1 также установится нулевое напряжение. Аналогичным образом осуществляется сохранение и восстановление состояния триггерного устройства при включении питания, если сердечник элемента памяти был предварительно намагничен в состояние "лог.1", то есть ток намагничивания протекал от входа обмотки записи к ее выходу.

Рассмотрим процесс переключения триггерного устройства под действием сигнала, поступающего по управляющему входу 14. Пусть для определенности триггерное устройство находится в состоянии "лог.0", при этом сердечник элемента памяти 11 намагничен в состояние "лог.0", RS-триггер, составленный из элементов 2, 3, находится в нулевом состоянии, при котором на выходе элемента 2 присутствует сигнал "лог.0", на R- и S-входах триггера 1 - сигналы "лог.0". При поступлении на вход 14 сигнала "лог.1" на выходе элемента 4 появится сигнал "лог.1", на выходе инвертора 5 - сигнал "лог.0". В обмотке записи элемента 11 потечет ток от входа обмотки к ее выходу. Поскольку сердечник намагничен в состояние "лог.0", на выходе обмотки считывания возникнет полноценный импульс, приложенный плюсом к входу обмотки считывания. Через время, определяемое постоянной времени перезаряда конденсатора 10, на S-входе триггера 1 появится напряжение "лог.1", на его R-входе при этом сохранится напряжение "лог.0". Значения указанных напряжений определяются формулами (9) и (10). Эти сигналы подтверждают нулевое состояние RS-триггера, составленного из элементов 2 и 3, на выходе элемента 2 сохранится сигнал "лог.0", на выходе элемента 4 - сигнал "лог.1", на выходе инвертора 5 - сигнал "лог.0". Ток в обмотке записи сохранит свое направление, на входе обмотки считывания сохранится импульс положительной полярности. За время действия импульса на входе 14 сердечник элемента памяти 11 должен перемагнититься в новое состояние. После снятия сигнала на входе 14 ток в обмотке записи изменит свое направление на противоположное, при этом на выходе обмотки считывания также произойдет смена полярности сигнала. Напряжения, действующие на выходах обмотки считывания, описываются формулами (2), (3), (4). Поскольку сердечник перемагничивается в новое состояние, длительность импульса на выходе обмотки считывания значительно превышает значение постоянной времени перезаряда конденсатора 10, в результате напряжение на R-входе триггера 1 достигнет значения порога его переключения, на инверсном выходе триггера 1 появится сигнал "лог.0", переключающий RS-триггер из элементов 2, 3 в состояние "лог.1" ("лог.1" на выходе элемента 2, "лог.0" на выходе элемента 3). Ток в обмотке записи изменит свое направление на противоположное, на выходе обмотки считывания возникнет короткий импульс помехи, который не пройдет на вход RS-триггера за счет интегрирующего свойства конденсатора 10. В установившемся режиме на выводах обмотки считывания и на R- и S-входах RS-триггера установится нулевое напряжение за счет привязки средней точки обмотки считывания к общей шине через резистор 8.

Аналогичным образом осуществляется процесс переключения триггерного устройства из состояния "лог.1" в состояние "лог.0" под воздействием входного сигнала по управляющему входу 14.

Восстановление состояния триггерного устройства под действием помехи осуществляется аналогично тому, как происходит его восстановление при включении напряжения питания. Например, если триггерное устройство находится в состоянии "лог.0" (на выходе элемента 2 - сигнал "лог.0", сердечник элемента памяти намагничен от выхода к входу обмотки записи, на входе 14 - сигнал "лог.0") и помеха переключит RS-триггер, составленный из элементов 2, 3, в состояние "лог. 1", ток в обмотке записи изменит свое направление и на выходе обмотки считывания появится напряжение, приложенное плюсом к ее входу, восстанавливающее состояние триггера, составленного из элементов 2, 3. Процесс восстановления описывается формулами (5)-(10).

Таким образом, при переключении триггерного устройства под действием входного сигнала по управляющему входу 14, в течение действия импульса входного сигнала осуществляется перемагничивание сердечника элемента памяти 11, состояние RS-триггера, составленного из элементов 2, 3, при этом не изменяется, поскольку на входах RS-триггера 1 формируются напряжения, подтверждающие его состояние; по срезу импульса входного сигнала происходит переключение RS-триггера, составленного из элементов 2, 3, в состояние, соответствующее состоянию элемента памяти 11. При сбое RS-триггера, составленного из элементов 2, 3, при отсутствии сигнала на управляющем входе 14 на выходе обмотки считывания элемента памяти 11 появляется напряжение, переключающее указанный RS-триггер в состояние, соответствующее состоянию элемента памяти 11.

Из описания работы триггерного устройства видно, что его нормальная работа обеспечивается при соотношении числа витков обмотки записи и числа витков обмотки считывания 1:2, в то время как в схеме прототипа для нормального ее функционирования указанное соотношение должно выбираться равным 1:4. Это объясняется тем, что в схеме прототипа средняя точка обмотки считывания жестко привязана к нулевому потенциалу общей шины, поэтому, чтобы сформировать на выходе полуобмотки напряжение, близкое к величине напряжения питания (Е), при амплитуде импульса в обмотке записи, равной величине Е/2, необходимо иметь в каждой полуобмотке считывания количество витков в 2 раза большее, чем в обмотке записи. В схеме заявляемого устройства полезный переключающий сигнал к соответствующему входу RS-триггера 1 подводится не с полуобмотки, а со всей обмотки считывания, благодаря тому, что использование новых признаков и связей позволяет организовать привязку вывода обмотки считывания, имеющего более низкий потенциал, к потенциалу, близкому к нулевому (2Ud). Указанная разница в соотношении витков обмоток записи и считывания элемента памяти позволяет при выбранных размерах сердечника увеличить количество витков обмотки записи и, значит, уменьшить ток намагничивания и увеличить сопротивление резистора 9. В результате уменьшается ток потребления триггерного устройства от источника питания в статическом и динамическом режимах его работы.

Таким образом, как следует из описания работы, заявляемое триггерное устройство обладает меньшим током потребления от источника питания.

Испытания лабораторного макета триггерного устройства подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого устройства.

Триггерное устройство, содержащее RS-триггер, между входами сброса и установки которого подключен конденсатор, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, инвертор, два резистора и элемент памяти на магнитном сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса с обмотками записи и считывания, входы сброса и установки RS-триггера соединены с первыми выводами соответственно первого и второго резисторов, вход обмотки записи соединен с входом инвертора и выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый вход которого является управляющим входом триггерного устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены третий и четвертый резисторы, первый и второй диоды, первый и второй элементы И-НЕ, первые входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами RS-триггера, а вторые входы соединены соответственно с выходами второго и первого элементов И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ соединен со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, аноды первого и второго диодов подключены соответственно к входам сброса и установки RS-триггера, а катоды соединены соответственно со вторыми выводами первого и второго резисторов и соответственно с выходом и входом обмотки считывания, средняя точка которой через третий резистор подключена к общей шине, выход обмотки записи через четвертый резистор подключен к выходу инвертора.