Оптоэлектронный сумматор

 

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СУММАТОР, содержащий разрядные ячейки и первый блок ввода слагаемых, причем каждая разрядная ячейка содержит первый модулятор , формирователь сигнала переноса и оптоэлектронный квантующий модуль , содержащий девять оптронов и узел установки нуля, причем каждый оптрон содержит первый и второй фотодиоды i диод, светодиод, усилитель постоянного тока, резистор обратной связи и резистор нагрузки, вход и выход усилителя постоянного тока электрически соединены с контактами резистора обратной связи, выход усилителя постоянного тока электрически соединен с одним контактом резистора нагрузки, другой контакт которого электрически соединен с анодом светодиода , катод которого электрически соединен с шиной нулевого потенциала сумматора, вход усилителя постоянного тока электрически соединен с анодом диода, катод которого электрически соединен с катодом первого фотодиода, анод которого электрически соединен с выходом первого модулятора данной разрядной ячейки, выход светодиода оптически соединен с входом второго фотодиода того же оптрона и входом первого фотодиода следующего олтрона, узел установки нуля каждого оптоэлектронного квантующего модуля содержит усилитель постоянного тока, резистор обратной связи, первый фотодиод и резистор нагрузки, причем вход и выход усилителя постоянного тока электрически соединены с контактами резистора обратной связи, вход усилителя постоянного тока электрически соединен с контактом первого фотодиода и одним контактом резистора нагрузки , другой контакт которого электри-. s чески соединен с шиной положительного потенциала сумматора, анод первого /Л фотодиода электрически соединен с выходом первого модулятора данной разрядной ячейки, выход светодиода девятого оптрона оптоэлектронного квантующего модуля соединен с входом первого 1 |фотодиода узла установки нуля этого же оптоэлектронного квантующего модусд ля, выход усилителя постоянного тока которого электрически соединен с анодами вторых Фотодиодов всех оптронов СО данного оптоэлектронного квантукмдего , С модуля, выход светодиода девятого . 00 оптрона оптоэлектронного квантующего модуля каждой разрядной ячейки оптически соединен с первьм входом формирователя сигнала переноса той же разрядной ячейки, второй вход которого электрически соединен с выходом первого модулятора той же разрядной ячейки, выход формирователя сигнала переноса каждой разрядной ячейки оптически соединен с первым входом

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

4(5l) G 06 F 7/56

ГОСУДАРСТВ ЕЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГП4Й

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOIVIV СВИДЕТЕПЬСТВМ (21) 3546665/24-24 (22) 27.01.83 (46) 23.04.85. Бюл. N - 15 (72) С.А. Майоров, В.П. Кожемяко, Л.И. Тимченко, Т.Б. Мартынюк и Г.Л. Лысенко (71) Винницкий политехнический институт (53) 681.325(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 - 796845, кл. G 06 Г 7/56, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Р 742936, кл. G 06 Р 7/56, 1978. (54)(57) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ СУММАТОР, содержащий разрядные ячейки и первый блок ввода слагаемых, причем каждая разрядная ячейка содержит первый модулятор, формирователь сигнала переноса и оптоэлектронный квантующий модуль, содержащий девять оптронов и узел установки нуля, причем каждый оптрон содержит первый и второй фотодиоды, диод, светодиод, усилитель постоянного тока, резистор обратной связи и резистор нагрузки, вход и выход усилителя постоянного тока электрически соединены с контактами резистора обратной связи, выход усилителя постоянного тока электрически соединен с одним контактом резистора нагрузки, другой контакт которого электрически соединен с анодом светодиода, катод которого электрически соединен с шиной нулевого потенциала сумматора, вход усилителя постоянного тока электрически соединен с анодом диода, катод которого электрически соединен с катодом первого фотодиода, анод которого электрически соединен с выходом первого модулятора данной

„„SU,, 1151958 А разрядной ячейки, выход светодиода

1оптически соединен с входом второго фотодиода того же оптрона и входом первого фотодиода следующего оптрона, узел установки нуля каждого оптоэлектронного квантующего модуля содержит усилитель постоянного тока, резистор обратной связи, первый фотодиод и резистор нагрузки, причем вход и выход усилителя постоянного тока электрически соединены с контактами резистора обратной связи, вход усилителя постоянного тока электрически соединен с контактом первого фотодиода и одним контактом резистора нагрузки, другой контакт которого электри-. Ф чески соединен с шиной положительного потенциала сумматора, анод первого

1 фотодиода электрически соединен с выходом первого модулятора данной раз-С рядной ячейки, выход светодиода девятого оптрона оптоэлектронного квантую щего модуля соединен с входом первого фотодиода узла установки нуля этого же оптоэлектронного квантующего модуля, выход усилителя постоянного тока которого электрически соединен с ано- дами вторых фотодиодов всех оптронов CO данного оптоэлектронного квантующего, ЯД

Ъ модуля, выход светодиода девятого Q0 оптрона оптоэлектронного квантующего модуля каждой разрядной ячейки оптически соединен с первым входом формирователя сигнала переноса той же разрядной ячейки, второй вход которо-,) го электрически соединен с выходом первого модулятора той же разрядной ячейки, выход формирователя сигнала переноса каждой разрядной ячейки оптически соединен с первым входом

1151 первого модулятора и входом первого оптрона оптоэлектронного квантующего модуля следующей разрядной ячейки, отличающийся тем, что, с целью .повышения быстродействия сумматора, в него введен второй блок ввода слагаемых, в каждую разрядную ячейку введены второй модулятор, элемент НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, элемент ИЛИ, элемент НЕ, в каждый оптрон каждого оптоэлектронного квантующего модуля введены третий и четвертый фотодиоды, в узел установки нуля каждого оптоэлектронного квантующего модуля введен второй фотодиод, а формирователь сигнала переноса содержит два усилителя постоянного тока, два резистора нагрузки, два резистора обратной связи, шесть фотодиодов, два диода, два светодиода, причем выходы первого блока ввода слагаемых оптически соединены с первыми входами элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, элемента ИЛИ и второго модулятора каждой разрядной ячейки, выходы второго блока ввода слагаемых оптически соединены с вторыми входами элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ, элемента ИЛИ и второго модулятора каждой разрядной ячейки, в каждой разрядной ячейке выход элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ оптически соединен с вторьм.входом первого модулятора, выход элемента ИЛИ оптически соединен с входом элемента НЕ и вхо-. дами третьих фотодиодов первого и второго оптронов оптоэлектронного квантующего модуля, выход элемента

НЕ электрически соединен с анодами четвертых фотодиодов всех оптронов оптоэлектронного квантующего модуля, выход второго модулятора электрически соединен с анодами третьих фотодиодов всех оптронов оптоэлектронного квантующего модуля, вход третьего фотодиода каждого оптрона, начиная с третьего, оптоэлектронного квантующего модуля оптически соединен с выходом светодиода оптрона, предшествующего предыдущему, вход

1 .четвертого фотодиода каждого оптрона с первого по восьмой оптоэлектронного квантукицего модуля оптически соединен с выходом светодиода последующего оптрона, катоды третьего и четвертого фо годиодов в каждом оптроне электрически соединены с катодом диода, анод второго фотодиода узла установки нуля оптоэлектронного квантую958 щего модуля каждой разрядной ячейки электрически соединен с выходом второго модулятора той же разрядной ячейки, катод электрически соединен с катодом первого фотодиода узла установки нуля, вход второго фотодиода узла установки нуля каждого оптоэлектронного квантующего модуля оптически соединен с выходом светодиода восьмого оптрона того же оптоэлектронного квантующего модуля, в формирователе сигнала переноса первый .его вход бптически соединен с входом первого фотодиода, катод которого электрически соединен с катодом второго фотодиода, анодом первого диода, анодом третьего фотодиода, входом первого усилителя постоянного тока и первым контактом первого резистора обратной связи, второй контакт которого электрически соединен с выходом первого усилителя постоянного тока и первым контактом первого резистора нагрузки, второй контакт которого электрически соединен с анодом первого светодиода, катод которого электрически соединен с шиной нулевого потенциала сумматора, выход первого светодиода оптически соединен с входами четвертого и пятого фотодиодов, катоды которых электрически соединены с катодами соответственно первого и второго диодов, анод второго диода электрически соединен с анодом шестого фотодиода, входом второго усилителя постоянного тока и первым контактом второго резистора обратной связи, второй контакт которого электрически соединен с выходом усилителя постоянного тока и первым контактом резистора нагрузки, второй контакт которого электрически соединен с анодом второго светодиода, катод которого электрически соединен с шиной .нулевого потенциала сумматора, выход второго светодиода оптически соединен с входом третьего фотодиода и выходом формирова1теля сигнала переноса, анод второго фото-. диода электрически соединен с вторым входом формирователя сигнала переноса, вход второго фотодиода, являющийся третьим входом формирователя сигнала переноса, оптически соединен с выходом восьмого оптрона оптоэлектронного квантующего модуля, анод пер-. вого фотодиода формирователя сигнала переноса, являющийся четвертым входом формирователя сигнала переноса, 1 электрически соединен с выходом первого модулятора той же разрядной ячейки, вход шестого фотодиода формирователя сигнала переноса каждой разрядной ячейки, являющийся пятым входом этого формирователя сигнала переноса, оптически соединен с выхо151958 дом элемента ИЛИ последующей разрядной ячейки, аноды четвертого и пятого фотодиодов формирователя сигнала переноса каждой разрядной ячейки электрически соединены с шиной отрицательного потенциала суммаi тора.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано при построении арифметических устройств, работающих в произвольной системе счисления.

Цель изобретения — повышение быстродействия оптоэлектронного сумматора.

На фиг. 1 представлена структурная схема оптоэлектронного сумматора; 1О на фиг.2 — схема организации связей между разрядами оптоэлектронного квантующего модуля; на фиг.3 — схема оптрона оптоэлектронного квантующего модуля; на фиг.4 — схема оптоэлект- 15 ронного элемента НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ; на фиг.5 — схема оптоэлектронного элемента НЕ, на фиг.6 — узел установки нуля; на фиг.7 - схема формирова ния сигнала-переноса.

Оптоэлектронный сумматор содержит (фиг.1) оптоэлектронные квантующие модули 1, которые входами 2 и 3 оптически соединены через элемент ИЛИ 4 с блоками 5 и 6 ввода слагаемых, 25 входы 7 оптоэлектронных квантующих модулей 1 подключены к выходам 8 первых модуляторов 9, входы 10 которых через элементы НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 11, оптические входы 12 которых являются

30 оптическими входами разрядных ячеек, соединены с блоками 5 и 6 ввода слагаемых, входы 13 оптоэлектронных квантующих модулей 1 подключены к выходам 14 вторых модуляторов 15, входы 16 которых попарно соединены с блоками 5 и 6 ввода слагаемых, вторые входы 17 оптоэлектронных квантующих модулей подключены через элементы

HE 18 к выходам 19 элементов ИЛИ 4 „. входы 20 которых являются оптически40 ми входами разрядных ячеек, входы

21 и 22 схем 23 формирования сигнала переноса оптически соединены с выходами 24 и 25 последнего и предпоследнего оптронов оптоэлектронных квантующих модулей 1, входы 26 оптически соединены с выходами 27 элементов

ИЛИ 4 соответствующих старших ячеек, а входы 28 и 29 подключены к выходам

8 и 14 соответственно первых и вторых модуляторов, выходы 30 схем формирования сигналов переноса оптически соединены с входами 2 оптоэлектронных квантующих модулей и входами

31 первых модуляторов 9 соответст вующих старших разрядных ячеек сумматора. Оптоэлектронный квантующий модуль 1 содержит девять оптронов 32 и узел 33 установки нуля, связи между которыми организованы .следующим образом (фиг.2): выход 34 i-го оптрона оптически соединен с входом 35 (i+1)го оптрона и с входом 36 (i+2)-ro оптрона, с входом 37 (i-1)-ro оптрона того же оптоэлектронного квантующего модуля, причем оптический вход 2 оптрона младшей разрядной ячейки соединен с выходом элемента ИЛИ 4, а оптический вход 3 оптрона второй разрядной ячейки соединен также с выходом элемента ИЛИ 4, оптические входы

38 и 39 узла 33 установки нуля соединены с выходами 34 последнего и предпоследнего оптрона оптоэлектронного квантующего модуля. Вход 40 узла 33 .установки нуля соединен с входом 41 оптрона 32 и подключен к входу 7 опто- . электронного квантующего модуля 1.

Выход 42 узла установки нуля подключен к входам 43 обнуления всех оптронов 32. Вход 44 узла 33 установки нуля соединен с входом 45 каждого оптрона 32 и подключен к входу 13 оптоэлектронного квантующего модуля 1, входы 46 оптронов 32 подключены

3 1151 к входу 17 оптоэлектронного квантующего модуля 1.

Оптрон 32 оптоэлектронного квантующего модуля 1 (фиг. 3) выполнен в виде усилителя 47 постоянного тока с резистором 48 обратной связи, входы 41, 45 и 46 оптрона 32 через фотодиоды 49 и диод 50 подключены к входу усилйтеля 47, а вход 43 фотодиода 51 и входы 46, 45 и 41 фото- 10 диодов 49 подключены соответственно к выходу 42 узла 33 установки нуля и к входам 17, 13 и 7 оптоэлектронного квантующего модуля, кроме того выход усилителя 47 постоянного тока через резистор 52 нагрузки и светодиод 53 подключен к общей шине нулевого потенциала.

Схема НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ 11 (фиг.4) содержит усилитель 47 постоянного тока с резистором 48 обратной связи, резистор 52 нагрузки и светодиод 53, а также два фотодиода 54 и 55, причем вход усилителя 47 через фотодиод 54 подключен к шине положительного потенциала сумматора, а через фотодиод

55 — к шине нулевого потенциала, выход усилителя 47 через резистор нагрузки 52 и светодиод 53 также соединен с шиной нулевого потенциала.

Схема оптоэлектронного элемента

НЕ с электрическим выходом, инверсным по отношению к его оптическому входу (фиг.5), содержит усилитель 47 постоянного тока с резистором 48 обратной связи, резистор 56, связанный с шиной положительного потенциала сумматора, и фотодиод 57, соединенный с оптическим выходом элемента ИЛИ 4. 40

Схема узла 33 установки нуля (фиг.6) содержит усилитель 47 постоянного тока с резистором 48 обратной связи, резистор 56, одним вы- 4$ водом связанный с шиной положительного потенциала сумматора, а другим выводом - e входом усилителя 47, два фотодиода 57 и 58, .выводом присоединенные к входу усилителя, а вывода- 50 ми 40 и 44 соответственно к выходу первого модулятора t5, а их оптические входы 38 и 39 оптически соединены с выходами 34 девятой и восьмой разрядных ячеек оптоэлектронного у квантующего модуля, а выход усилителя

47 соединен с входом 43 обнуления каждого оптрона.

958 4

Схема формирования сигнала переноса (фиг.7) содержит фотодиоды 59 и

60, подключенные между входом усилителя 47 и выходными шинами первого и второго модуляторов соответственно, встречно-последовательно включенные между входом усилителя 47 и шиной отрицательного потенциала диод 61 и фото@иод 62, фотодиод 63, анод которого подключен к входу усилителя, а катод к шине нулевого потенциала, последовательно включенные резистор нагрузки 52 и светодиод 53, подклю-. ченные одним концом (катодом) к шине нулевого потенциала, а вторым — к выходу усилителя 47, охваченного обратной связью через резистор 48.

Кроме того, формирователь сигнала переноса содержит встречно-последовательно включенные диод 64 и фотодиод

65, подключенный анодом к шине отрицательного потенциала, а анод диода

64 подключен к входу усилителя 47, в обратную цепь которого включен резистор 48 обратной связи; фотодиод

66,анод которого подключен к входу усилителя 47, а катод — к шине нулевого потенциала; последовательно включенные резистор 52 и светодиод

53, катод которого соединен с шиной нулевого потенциала, а анод через резистор 52 соединен с выходом усилителя 47. Оптический выход 30 светодиода 53 соединен с оптическим входом фотодиода 63, входом 2 оптоэлектронного квантующего модуля 1 и входом 31 первого модулятора 9 соот-, ветствующей старшей разрядной ячейки сумматора. Оптический вход

26 фотодиода 66 . соединен с оптическим выходом 27 элемента ИЛИ 4 старшей разрядной ячейки, оптический выход светодиода 53 связан .с фотодиодами 65 и 62 соответственно. Оптические входы 2t и 22 фотодиодов

59 и 60 соединены оптически с выходами 24 и 25 девятого и восьмого оптронов оптоэлектронного квантующего модуля 1.

Оптоэлектронный сумматор работает следующим образом.

Работу сумматора целесообразно рассмотреть, используя пример сложения десятичных чисел М = 358 и 8 = 543.

Допустим, что с первого блока 5 ввода подается слагаемое Я, а с второго блока 6 ввода - слагаемое S

1 l 51958

1-я разрядная ячейка

Ф такта разрядная ячейка S ая ячейка разряды разряды ды

3 4 5 6 7 8

5 6 7 8 9

3 4 5 6 7

О О О О О О О ОО 1 0 О О 0 О 0 ОО 1 О О.О О О О О

2 О 1 0 1 0 О О

О ОО » О О О О О ОО 1 О О О О О О О

3 0 1 0 1 О 1 0

OO 1 O 1 O 1 0 O OO 1 О о о о, 1 0 О

111 »ООО» О О»О»O1

5 1 1 .1 1 1 1 1 1 01 1 t 1 1

1 1 11 1 1 1 » 1 1 1 О.

1 О

1 t

6 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1

0 Î Î 0 Î Î Î Î ÎО Î Î Î ÎÎ Î Î Î1

8 1 О 0 0 О 0 0 0 00 О О О О О 0 О 01 1 ° 1 1 1. 1 1 1 1

Слагаемые Я и В подаются одновременно с блоков 5 и 6 ввода на оптические входы 12, 20 и 16 разрядных ячеек.

При подаче слагаемых оптические сигналы, снимаемые параллельно с каждого 5 блока 5 и 6 ввода приводят к срабатыванию элемента ИЛИ на время, соответствующее максимальной значности в каждой из пар цифр данного разряда слагаемых Я и В, Выходной оптический сигнал элемента ИЛИ 4 воздействует одновременно на соответствующие входы оптоэлектронных квантующих модулей 1, входы элементов НЕ 18 и входы 26 блоков 23 формирования сигнала переноса. В то же время оптические сигналы, снимаемые при подаче слагаемых, поступают на входы 16 вторых модуляторов 15, срабатывающих при одновременной работе блоков 5 и 6З» ввода, и на входы элементов НКРАВН0ЗНАЧНОСТЬ 11, вырабатывающих оптический сигнал при работе только одного из них. Данный оптический сигнал поступает на входы 10 первых модуляторов 9. Запись и суммирование информации происходят одновременно, количество возбужденных оптических выходов

l оптоэлектронного квантующего модуля ! каждой разрядной ячейки соответствует времени нахождения в рабочем состоянии элемента ИЛИ. После прекращения подачи цифр слагаемых A и В элемент ИЛИ отключается,что приводит к исчезновению соответствующих оптических сигналов, одновременно напряжение на выходах 8 и 14 первых и вторых модуляторов 9 и 15 устанавливается на уровне напряжения фиксации, при котором результат сложения может храниться в оптоэлектронных квантующих модулях 1. Время сложения чисел A и 8 без учета сложения с единицами переноса определяется максимальной цифрой из пары цифр в данном разряде слагаемых A и В .

Для взятого примера это время равно

8ь

Процесс одновременной записи и суммирования слагаемых A u B удобно рассмотреть по тактам величиной о, где -время записи единицы информации в оптоэлектронный квантующий .модуль

Информация в сумматоре представ лена в виде таблицы.

Рассмотрим первый такт работы.

В течение этого такта снимаемые параллельно с выходов блоков 5 и 6 ввода сигналы поступают на оптические входы всех разрядных ячеек. Так как работают оба блока ввода, то срабатывают вторые модуляторы 15, onrvvecS входы которых реализуют функцию U за счет подбора соответствующего напряжения для фотодиодов. 10

Электрический сигнал с выходов 14 вторых модуляторов 15 поступает нА входы 13 оптоэлектронных квантующих модулей 1, что приводит к записи единицы информации во второй оптрон 15 (разряд) оптоэлектронных квантующнх модулей 1. Во втором такте работы сумматора продолжают работать оба блока 5 и 6 ввода, и, следовательно, остается высокий потенциал на выходе 20 второго модулятора 15, что приводит к записи единицы информации в четвертый оптрон оптоэлектронных квантующих модулей, Запись информации через оптрон осуществляется до 25 третьего такта в первой и третьей разрядных ячейках и до четвертого такта включительно во второй разрядной ячейке, В течение пятого такта для второй ячейки работает один блок з0 ввода, срабатывает первья модулятор

9, при этом возбуждаются остальные ранее невозбужденные выходы оптоэлектронного квантующего модуля. В течение четвертого, пятого и шестого тактов для первой разрядной ячейки работает также один блок ввода, что приводит к последовательному возбуждению остальных ранее невозбужденных выходов оптоэлектронного квантующего 40 модуля в этой разрядной ячейке. Ана- . логично в течение четвертого и пятого тактов происходит запись и одновременное суммирование информации в третьей разрядной ячейке, В течение шестого 4з такта информация во второй и третьей разрядных ячейках сохраняется без измененин. В течение седьмого такта

1151958 8 работы сумматора в результате первой разрядной ячейки соответствующий оптоэлектронный квантующий модуль 1 выдает оптический импульс на выход

24, с которого он поступает на вход

21 соответствующей схемы 23 формирования сигнала переноса для хранения.

Одновременно за время, равное длительности оптического импульса, оптоэлектронный квантующий модуль там, где возникло переполнение, обнуляется. Обнуление за время модуля 1, где возникла единица переполнения, не препятствует записи в него остатка максимальной цифры из пары цифр слагаемых Я и В, так как возникшая единица переполнения хранится в блоке 23 формирования сигнала переноса до окончания процесса сложения во второй разрядной ячейке сумматора.

Если процесс суммирования в старшей разрядной ячейке завершается, то исчезает оптический сигнал на входе 26, поступающий с выхода элемента ИЛИ 4 и запрещающий прохождение импульса переноса на выход 30, что приводит к появлению иа этом выходе оптического импульса длительностью, который, воздействуя на входы 2 и 31 соответственно оптоэлектронного квантующего модуля 1 и модулятора 9 второй разрядной ячейки, увеличивает записанную в нем цифру на единицу. Возникшая единица переполнения второй разрядной ячейки, вследствие завершения процесса суммирования в; третьей разрядной ячейке, передается в соответствующий оптоэлектронный квантующий модуль 1 в течение этого такта. В течение восьмого такта в первой разрядной ячейке завершается запись остатка цифры слагаемого, а во второй и третьей разрядных ячейках информация сохраняется без изменения. Общее время сложения чисел А и В равно 8 i. .Аналогично процесс последовательной

1 подачи слагаемых и образования результирующей суммыможет бытьпродолжен.

1151958

Ф

1151958

)15?958

1151958

Составитель В. Березкин

Редактор Е. Папп Техред С.йовжий

Корректор Г. Рещетник

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 2324/37 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5