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) 5-9, конденсаторы (К) 10 и 11, диоды 12, 13, общую шину 14. Устойчивость ГИ к воздействию внешних ЭП обеспечивается устойчивостью к ЭП управляемого коммутатора состояний (УКС) на базе элемента 2 и И 3 и 4. Если кратковременный импульс ЭП изменит состояние элементов 1 или 2, И 3 или И 4, или нескольких одновременно, то УКС тут же восстановит состояние сбившегося элемента (элементов), поскольку состояние УКС является помехоустойчивым, если длительность ЭП не превышает постоянную времени интегрирующей цепи Р 9, К 11, при этом фаза и период колебаний сохранятся. 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.

Недостатками данного генератора импульсов являются его сравнительная сложность, связанная с использованием двух времязадающих конденсаторов, а также низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.

Известен генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР №1396245 от 28.08.85, МКИ: Н 03 К 3/28, "Генератор импульсов", авторы В.В. Шаргородский и др., опубл. 15.05.88, бюл. №18), который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и выбран в качестве прототипа, содержащий первый, второй и третий инверторы, соединенные последовательно, первый, второй, третий и четвертый резисторы, конденсатор. Вход первого инвертора через последовательно соединенные первый резистор и конденсатор подключен к выходу второго инвертора. Вход третьего инвертора через последовательно соединенные второй и третий резисторы подключен к его выходу. Четвертый резистор включен между входом первого инвертора и точкой соединения второго и третьего резисторов.

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость в условиях воздействия высокоинтенсивных электрических помех. Воздействуя по цепи питания инверторов или по их входам, 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 входе первого инвертора действует сигнал "лог.0", поддерживаемый протеканием тока заряда конденсатора через третий и четвертый резисторы. Четвертый резистор является основным времязадающим резистором, на выходах второго и третьего инверторов присутствуют потенциалы соответственно "лог.0" и "лог.1". Если напряжение помехи, кратковременно воздействуя, например, по цепи входа первого инвертора, вызовет его переключение в состояние "лог.1" на выходе, соответственно, переключатся в противоположное состояние второй и третий инверторы; ток перезаряда конденсатора, протекающий через третий и четвертый резисторы, изменит свое направление, и генератор перейдет в новое состояние, при котором на входе первого инвертора будет поддерживаться сигнал "лог.1". Поскольку конденсатор не успел зарядиться до порогового значения напряжения, следующий полупериод также будет короче нормального. Таким образом, под действием напряжения помехи генератор импульсов может несанкционированно изменить фазу колебаний, длительность периода колебаний при этом 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 инверторы, соединенные последовательно, первый, второй, третий и четвертый резисторы, конденсатор, подключенный между первыми выводами первого и второго резисторов, выход второго инвертора соединен с первым выводом третьего резистора, новым является введение первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первого и второго диодов, второго конденсатора и пятого резистора, причем первый и второй входы первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с вторыми выводами первого и второго резисторов, а выход соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, а выход через пятый резистор соединен с входом первого инвертора и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход первого инвертора соединен с катодом первого диода и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с анодом первого диода и с первым выводом второго резистора, первый вывод третьего резистора соединен с катодом второго диода, анод которого соединен со вторым выводом третьего резистора и с первым выводом первого резистора, первый инвертор выполнен на базе триггера Шмитта.

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 первый 1 и второй 2 элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый 3 и второй 4 инверторы, причем инвертор 3 выполнен на базе триггера Шмитта, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 резисторы, первый 10 и второй 11 конденсаторы, первый 12 и второй 13 диоды, общую шину 14. Первый вход элемента 1 через резистор 6 соединен с первым выводом конденсатора 10, с первым выводом резистора 5 и с анодом диода 12. Второй вход элемента 1 через резистор 7 соединен с вторым выводом конденсатора 10, с первым выводом резистора 8 и с анодом диода 13. Выход элемента 1 соединен с первым входом элемента 2, второй вход которого соединен с катодом диода 12, с вторым выводом резистора 5 и с выходом инвертора 4. Выход элемента 2 через резистор 9 соединен с первым выводом конденсатора 11 и с входом инвертора 3, выход которого соединен с входом инвертора 4, с катодом диода 13 и с вторым выводом резистора 8. Второй вывод конденсатора 11 соединен с общей шиной 14. В качестве выходов генератора импульсов могут использоваться выходы инвертора 3 (ВЫХ1) и инвертора 4 (ВЫХ2).

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 3 - сигнал "лог.1", на выходе элемента 4 - сигнал "лог.0". Под действием указанных сигналов конденсатор 10 начинает заряжаться по цепи: выход инвертора 3, резистор 8, диод 12, выход инвертора 4, при этом на первом входе элемента 1, связанном с резистором 6, установится напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде 12 (U_d, см. временную диаграмму 15, фиг.2, интервал времени 0-t₁); на втором входе элемента 1, связанном с резистором 7, в первый момент времени напряжение равно значению U_d, затем оно возрастает по экспоненциальному закону, стремясь к значению выходного 5 напряжения инвертора 3, примерно равному значению напряжения питания Е (см. временную диаграмму 16, фиг.2, интервал времени 0-t₁). Поскольку в интервале времени 0-t₁ на обоих входах элемента 3 присутствует сигнал "лог.0", на его выходе и на выходе элемента 2 - также сигнал "лог.0", при этом поддерживается разряженное состояние конденсатора 11 и "лог.0" на входе инвертора 3, на выходе инвертора 3 - сигнал "лог.0" (см. временную диаграмму 17, фиг.2, интервал времени 0-t₁). При достижении в момент времени t₁ напряжением на втором входе элемента 1 значения, равного порогу переключения элемента 1 (U_пор2), сигнал на выходе последнего и на выходе элемента 2 изменяется на "лог.1", конденсатор 11 через резистор 9 начинает заряжаться, стремясь к значению, примерно равному Е. С задержкой, определяемой зарядом конденсатора 11, инвертор 3 переключается, на его выходе появляется сигнал "лог.0", на выходе инвертора 4 - сигнал "лог.1", в результате ток заряда конденсатора изменяет направление, протекая с выхода инвертора 4 через резистор 5, диод 13 на выход инвертора 3. При этом на втором входе элемента 1 фиксируется напряжение, равное падению на открытом диоде 13 (U_d, диаграмма 16), в точке соединения резисторов 5 и 6 напряжение определяется выражением

где U_c - напряжение на конденсаторе 10 в момент переключения инвертора 3, U_c=U_пор1-U_d≈ U_пор1≈ E/2, поскольку при реализации элементов 1, 2 и инверторов 3, 4 на базе КМОП интегральных микросхем порог их переключения близок к величине Е/2.

На первом входе элемента 1, за счет наличия на нем внутреннего защитного диода, подключенного анодом к общей шине 14, амплитуда отрицательного выброса не превысит величины падения напряжения на этом защитном диоде, затем, по мере заряда конденсатора 10, напряжение на первом входе нарастает по экспоненциальному закону, стремясь к значению, примерно равному Е (диаграмма 16, интервал t₁-t₂). В момент времени t₂ напряжение на первом входе достигнет порогового значения U_пор1, после чего сигналы на выходах элементов 1 и 2 меняются на противоположные (соответственно "лог.1" и "лог.0"); с задержкой, определяемой резистором 9 и конденсатором 11, меняются сигналы на выходах инверторов 3 и 4 (соответственно "лог.1" и "лог.0"), после чего происходит очередное изменение направления тока заряда конденсатора. В точке соединения резисторов 7 и 8 формируется импульс напряжения отрицательной полярности, амплитуда которого, вследствие симметрии схемы, определяется выражением (1); на втором входе элемента 1 амплитуда отрицательного импульса определяется падением напряжения на внутреннем входном защитном диоде. На первом входе элемента 1 в течение интервала времени t₂-t₃ фиксируется напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде 12. В дальнейшем напряжение на втором входе элемента 1 нарастает по мере заряда конденсатора 10 до порогового значения U_пор2 и процессы в схеме повторяются.

Важно отметить, что в момент начала переключения генератора импульсов в новое состояние на выходе элемента 1 появляется сигнал "лог.1", и управляемый коммутатор состояний, составленный из элемента 2 и инверторов 3, 4, представляет собой структуру, некоторое короткое время, определяемое задержками переключения элементов и инверторов, не имеющую устойчивого состояния (три соединенных последовательно между собой инвертора). При этом, вследствие разброса порогов и задержек переключения элементов и инверторов, управляемый коммутатор мог бы начать генерировать высокочастотные паразитные колебания, однако благодаря наличию в цепи связи коммутатора интегрирующей цепи (резистора 9 и конденсатора 11) и выполнению инвертора 3 на базе триггера Шмитта, имеющего гистерезис по порогу переключения (порог переключения инвертора в состояние "лог.0" на выходе выше, чем порог его переключения в состояние "лог.1" на выходе), эти паразитные колебания не успевают появиться. На выходе элемента 1 снова появляется сигнал "лог.0", и коммутатор состояний превращается в квазиустойчивую триггерную структуру. Таким образом, в схеме осуществляется устойчивость к воздействию внутренних помех, возникающих при переключении.

Устойчивость генератора импульсов к воздействию внешних электрических помех, как следует из описания работы его схемы, также обеспечивается устойчивостью к указанным помехам управляемого коммутатора состояний. Действительно, если кратковременный импульс помехи изменит состояние элементов 1 или 2, или инверторов 3, 4, или нескольких элементов одновременно, управляемый коммутатор тут же восстановит состояние сбившегося элемента (инвертора), поскольку состояние коммутатора является помехоустойчивым, если длительность помехи не превышает постоянную времени интегрирующей цепи, составленной из резистора 9 и конденсатора 11, при этом фаза и период колебаний сохранятся.

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 инверторы, соединенные последовательно, первый, второй, третий и четвертый резисторы, конденсатор, подключенный между первыми выводами первого и второго резисторов, выход второго инвертора соединен с первым выводом третьего резистора, отличающийся тем, что введены первый и второй элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй диоды, второй конденсатор и пятый резистор, причем первый и второй входы первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены соответственно с вторыми выводами первого и второго резисторов, а выход соединен с первым входом второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго инвертора, а выход через пятый резистор соединен с входом первого инвертора и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход первого инвертора соединен с катодом первого диода и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с анодом первого диода и с первым выводом второго резистора, первый вывод третьего резистора соединен с катодом второго диода, анод которого соединен с вторым выводом третьего резистора и с первым выводом первого резистора, первый инвертор выполнен на базе триггера Шми

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2