RU2234799C1

RU2234799C1 - Pulse generator

Info

Publication number: RU2234799C1
Application number: RU2003101481/09A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Шишкин (RU); Г.И. Шишкин; И.И. Дикарев (RU); И.И. Дикарев; Е.И. Рыжаков (RU); Е.И. Рыжаков
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-08-20

Abstract

FIELD: pulse engineering.

SUBSTANCE: proposed pulse generator has EXCLUSIVE OR gates 1,2, inverter 3 built around Schmitt flip-flop, and inverter 4, resistors 5 - 9, capacitors 10, 11, diodes 12, 13, and common bus 14. Immunity of state controllable switch built around EXCLUSIVE OR gate 2 and inverters 3, 4 to electric noise of pulse generator ensures immunity of pulse generator to external electric noise. If short-length electric noise pulse changes state of gate 1 or 2, inverter 3 or 4, or some of them at a time, state controllable switch will immediately recover state of faulty component or components as state controllable switch is immune to noise provided electric noise length does not exceed time constant of integrating circuit of resistor 9 and capacitor 11, phase and time of swing being maintained constant.

EFFECT: enhanced noise immunity in high-intensity electric noise environment.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.The invention relates to a pulse technique and can be used in computing devices and control systems.

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.A known pulse generator (see USSR author's certificate No. 1095360 of 04.13.82, MKI: N 03 K 3/28, "Multivibrator", author V.F. Golokolosov, publ. 30.05.84, bull. No. 20), containing two inverters, the output of the first of which is connected through the first capacitor to the input of the second inverter, and the output of the second inverter through the second capacitor is connected to the input of the first inverter, OR gate, first and second resistors, and the third capacitor. The first input of the OR-NOT logic element is connected to the input of the first inverter and through the first resistor to the output of the OR-NOT logic element, the second input of which is connected to the input of the second inverter and through the second resistor to the output of the OR-NOT logic element. The output of the OR gate is NOT connected through a third capacitor to the common bus of the pulse generator.

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.The disadvantages of this pulse generator are its comparative complexity associated with the use of two time-consuming capacitors, as well as low noise immunity under the influence of high-intensity electrical noise induced through its communication circuits.

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.A known pulse generator (see USSR author's certificate No. 1396245 of 08.28.85, MKI: N 03 K 3/28, "Pulse generator", authors VV Shargorodsky and others, publ. 05/15/88, bull. No. 18 ), which is the closest in technical essence to the claimed object and is selected as a prototype, containing the first, second and third inverters connected in series, first, second, third and fourth resistors, a capacitor. The input of the first inverter through a series-connected first resistor and capacitor is connected to the output of the second inverter. The input of the third inverter through series-connected second and third resistors is connected to its output. A fourth resistor is connected between the input of the first inverter and the connection point of the second and third resistors.

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).The disadvantage of the prototype is low noise immunity in conditions of exposure to high-intensity electrical noise. By acting along the power supply circuit of inverters or at their inputs, such interference can lead to a failure of the pulse generator, expressed in a change in the phase of its generation, leading to a decrease in the duration of the generated oscillation period. Suppose, for example, that the pulse generator is in a state when the “log.0” signal is active at the input of the first inverter, supported by the flow of the capacitor charge current through the third and fourth resistors. The fourth resistor is the main timing resistor, at the outputs of the second and third inverters there are potentials respectively "log.0" and "log.1". If the interference voltage, acting briefly, for example, along the input circuit of the first inverter, causes it to switch to the “log.1” state at the output, respectively, the second and third inverters switch to the opposite state; the capacitor overcharge current flowing through the third and fourth resistors will change its direction, and the generator will switch to a new state in which the “log.1” signal will be supported at the input of the first inverter. Since the capacitor did not have time to charge to the threshold voltage value, the next half-cycle will also be shorter than normal. Thus, under the influence of the interference voltage, the pulse generator can unauthorized change the phase of the oscillations, the duration of the oscillation period is reduced (by reducing both the current and the next half-periods).

Задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение помехоустойчивости генератора импульсов в условиях высокоинтенсивных электрических помех.The problem solved by the claimed invention is to increase the noise immunity of the pulse generator in conditions of high-intensity electrical noise.

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.The specified technical result is achieved by the fact that in a pulse generator containing the first and second inverters connected in series, the first, second, third and fourth resistors, a capacitor connected between the first terminals of the first and second resistors, the output of the second inverter is connected to the first terminal of the third resistor, new is the introduction of the first and second EXCLUSIVE OR elements, the first and second diodes, the second capacitor and the fifth resistor, with the first and second inputs of the first EXCLUSIVE OR soy element respectively, with the second terminals of the first and second resistors, and the output is connected to the first input of the second EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the output of the second inverter, and the output through the fifth resistor is connected to the input of the first inverter and to the first output of the second capacitor, the second output of which connected to a common bus, the output of the first inverter is connected to the cathode of the first diode and to the first terminal of the fourth resistor, the second terminal of which is connected to the anode of the first diode and to the first terminal of the second resistor, per the first terminal of the third resistor connected to the cathode of the second diode, the anode of which is connected to a second terminal of the third resistor and to a first terminal of a first resistor, a first inverter configured based Schmitt trigger.

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.The indicated set of essential features makes it possible to increase the noise immunity of a pulse generator due to the separation between its elements of the functions of forming a delay and switching states and performing a state switch in the form of a noise-resistant structure.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема генератора импульсов, на фиг.2 - временные диаграммы его работы.Figure 1 shows a circuit diagram of a pulse generator, figure 2 - timing diagrams of its operation.

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).The pulse generator contains the first 1 and second 2 elements EXCLUSIVE OR, the first 3 and second 4 inverters, and the inverter 3 is based on the Schmitt trigger, the first 5, second 6, third 7, fourth 8 and fifth 9 resistors, the first 10 and second 11 capacitors , the first 12 and second 13 diodes, a common bus 14. The first input of the element 1 through the resistor 6 is connected to the first output of the capacitor 10, with the first output of the resistor 5 and the anode of the diode 12. The second input of the element 1 through the resistor 7 is connected to the second output of the capacitor 10 , with the first output of resistor 8 and with the anode of diode 13. Output element 1 is connected to the first input of element 2, the second input of which is connected to the cathode of diode 12, with the second output of resistor 5 and with the output of inverter 4. The output of element 2 through resistor 9 is connected to the first output of capacitor 11 and with the input of inverter 3, the output of which is connected with the input of the inverter 4, with the cathode of the diode 13 and with the second output of the resistor 8. The second output of the capacitor 11 is connected to a common bus 14. The outputs of the inverter 3 (OUT1) and inverter 4 (OUT2) can be used as outputs of the pulse generator.

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 выражениемThe pulse generator operates as follows. When you turn on the supply voltage (power supply circuit of elements 1, 2 and inverters 3, 4 in figure 1 are not shown for simplicity) at the input of inverter 3 due to the discharged capacitor 11, the potential "log.0" is kept for some time; at the output of the inverter 3 - the signal "log.1", at the output of the element 4 - the signal "log.0". Under the influence of these signals, the capacitor 10 begins to charge along the circuit: the output of the inverter 3, the resistor 8, the diode 12, the output of the inverter 4, and at the first input of the element 1 connected to the resistor 6, a voltage equal to the voltage drop across the open diode 12 (U _d , see the time chart 15, figure 2, the time interval 0-t ₁ ); at the second input of element 1, connected with resistor 7, at the first moment of time, the voltage is equal to the value of U _d , then it increases exponentially, tending to the value of the output voltage 5 of the inverter 3, approximately equal to the value of the supply voltage E (see timing diagram 16, figure 2, the time interval 0-t ₁ ). Since in the time interval 0-t ₁ at both inputs of element 3 there is a signal “log.0”, at its output and at the output of element 2 there is also a signal “log.0”, while the discharged state of capacitor 11 and “log.0” are supported "at the input of inverter 3, at the output of inverter 3 - signal" log.0 "(see the timing diagram 17, figure 2, the time interval 0-t ₁ ). When at the time t _{1 the} voltage at the second input of element 1 reaches a value equal to the switching threshold of element 1 (U _por2 ), the signal at the output of the latter and at the output of element 2 changes to “log.1”, the capacitor 11 starts charging through the resistor 9, tending to a value approximately equal to E. With a delay determined by the charge of the capacitor 11, the inverter 3 switches, the signal “log.0” appears at its output, the signal “log.1” appears at the output of the inverter 4, as a result, the charge current of the capacitor changes direction flowing from the output of inverter 4 through a resist OP 5, diode 13 to the output of the inverter 3. At the same time, the voltage equal to the drop across the open diode 13 (U _d , diagram 16) is fixed at the second input of element 1, at the connection point of resistors 5 and 6, the voltage is determined by the expression

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.where U _c is the voltage across the capacitor 10 at the moment of switching the inverter 3, U _c = U _por1 -U _d ≈ U _por1 ≈ E / 2, since when implementing elements 1, 2 and inverters 3, 4 based on CMOS integrated circuits, the threshold for switching them close to the value of E / 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.At the first input of element 1, due to the presence of an internal protective diode on it, connected by the anode to the common bus 14, the amplitude of the negative surge does not exceed the voltage drop across this protective diode, then, as the capacitor 10 charges, the voltage at the first input increases exponentially law, striving for a value approximately equal to E (diagram 16, interval t ₁ -t ₂ ). At time t _{2, the} voltage at the first input reaches the threshold value U _pore1 , after which the signals at the outputs of elements 1 and 2 are reversed (respectively, "log.1" and "log.0"); with a delay determined by the resistor 9 and the capacitor 11, the signals at the outputs of the inverters 3 and 4 (respectively, "log.1" and "log.0") change, after which there is another change in the direction of the charge current of the capacitor. At the connection point of resistors 7 and 8, a voltage pulse of negative polarity is formed, the amplitude of which, due to the symmetry of the circuit, is determined by expression (1); at the second input of element 1, the amplitude of the negative pulse is determined by the voltage drop at the internal input protective diode. At the first input of element 1, a voltage equal to the voltage drop across the open diode 12 is recorded during the time interval t ₂ -t _3. Subsequently, the voltage at the second input of element 1 rises as the capacitor 10 charges to the threshold value U _por2 and the processes in the circuit are repeated.

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.It is important to note that at the moment the pulse generator starts switching to a new state, the signal “log.1” appears at the output of element 1, and the controlled state switch, composed of element 2 and inverters 3, 4, is a structure that takes some short time determined by delays switching elements and inverters that does not have a steady state (three inverters connected in series with each other). In this case, due to the spread of thresholds and switching delays of elements and inverters, the managed switch could start to generate high-frequency spurious oscillations, however, due to the integrating circuit (resistor 9 and capacitor 11) in the communication circuit of the switch and the inverter 3 based on Schmitt trigger having hysteresis by the switching threshold (the threshold for switching the inverter to the state “log.0” at the output is higher than the threshold for switching it to the state “log.1” at the output), these spurious oscillations do not have time to appear. At the output of element 1, the “log.0” signal appears again, and the state switch turns into a quasi-stable trigger structure. Thus, the circuit is resistant to the effects of internal interference arising from switching.

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.The stability of the pulse generator to the effects of external electrical noise, as follows from the description of the operation of its circuit, is also ensured by the resistance to the indicated interference of a controlled state switch. Indeed, if a short-term interference pulse changes the state of elements 1 or 2, or inverters 3, 4, or several elements at the same time, the managed switch will immediately restore the state of the failed element (inverter), since the state of the switch is noise-resistant if the duration of the interference does not exceed the integrating time constant circuit composed of a resistor 9 and a capacitor 11, while the phase and period of oscillation will be preserved.

Таким образом, из описания работы генератора импульсов следует, что он обладает устойчивостью к воздействию коротких высокоинтенсивных электрических помех, наведенных по цепям его связи.Thus, from the description of the pulse generator, it follows that it is resistant to short high-intensity electrical noise induced through its communication circuits.

Испытания лабораторного макета генератора импульсов подтвердили осуществимость и практическую ценность заявляемого устройства.Tests of the laboratory layout of the pulse generator confirmed the feasibility and practical value of the claimed device.

Claims

A pulse generator containing the first and second inverters connected in series, first, second, third and fourth resistors, a capacitor connected between the first terminals of the first and second resistors, the output of the second inverter is connected to the first terminal of the third resistor, characterized in that the first and second EXCLUSIVE OR elements, the first and second diodes, the second capacitor and the fifth resistor, the first and second inputs of the first EXCLUSIVE OR element being connected respectively to the second terminals of the first and second the output is connected to the first input of the second EXCLUSIVE OR element, the second input of which is connected to the output of the second inverter, and the output through the fifth resistor is connected to the input of the first inverter and to the first output of the second capacitor, the second output of which is connected to the common bus, the output of the first inverter connected to the cathode of the first diode and to the first terminal of the fourth resistor, the second terminal of which is connected to the anode of the first diode and to the first terminal of the second resistor, the first terminal of the third resistor is connected to the cathode of the second diode, the anode of which is connected to the second terminal of the third resistor and to the first terminal of the first resistor, the first inverter is based on a Schmitt trigger.