Патент на изобретение №2159006
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) КОММУТАТОР ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
(57) Реферат: Изобретение относится к автоматикe и вычислительной технике и предназначено для использования в системах, выполняющих адресную коммутацию множества цифровых сигналов. Техническим результатом является повышение быстродействия. Коммутатор содержит дешифратор, входной блок параллельных двухсторонних диодных ограничителей, ограничитель входного блока, резистор, мультиплексор-демультиплексор, буферный передатчик, преобразователь уровней, четыре элемента И-НЕ. 2 ил. Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, предназначено для выполнения функции адресной коммутации множества входных цифровых сигналов нескольких типов на один информационный выход с уровнем ТТЛ и может быть использовано, в частности, при построении устройств для ввода информации в качестве адресуемого коммутатора разных типов импульсных и статических сигналов состояний датчиков каналов ввода, например четырех типов сигналов (“Разрыв/Корпус”, ТТЛ, 27В/Разрыв, КМОП), определенных ГОСТ 18977-79. В устройствах для ввода информации, например [1,2], ввод битовых данных осуществляется с помощью подключаемых циклически адресуемым коммутатором выборок сигналов состояний датчиков всех каналов ввода, число которых может доходить до 100 и выше. Поскольку сигналы состояний датчиков могут существенно отличаться между собой по физическому представлению и временным параметрам, а число каналов ввода имеет тенденцию к возрастанию, то создание простого и быстродействующего коммутатора цифровых сигналов разных типов представляет, на наш взгляд, актуальную техническую задачу, разрешение которой позволит в целом повысить качество разрабатываемых устройств для ввода информации, например, типа [1,2]. Адресуемые коммутаторы сигналов находят широкое применение для передачи цифровых и аналоговых сигналов в устройствах автоматики и вычислительной техники [3-8] . Однако самые совершенные из них мультиплексоры [6] для коммутации цифровых ТТЛ сигналов и мультиплексоры-демультиплексоры [7] для передачи цифровых и аналоговых сигналов в диапазоне от -15 В до +15 В без привлечения дополнительных средств согласования не могут быть использованы в качестве коммутатора цифровых сигналов, определенных ГОСТ 18977-79. Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является коммутатор цифровых сигналов, входящий в состав устройства [2] и содержащий входной коммутатор, образованный блоком параллельных двухсторонних диодных ограничителей и мультиплексором-демультиплексором, преобразователь уровней, кодовые входы адреса и управления, информационный выход и сигнальные входы, число которых равно числу диодных ограничителей в блоке и каждый диодный ограничитель выполнен по схеме, описанной, например, в [9] и содержит первый и второй диоды ограничения сверху и снизу соответственно и резистор, первый вывод которого соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, второй вывод резистора каждого диодного ограничителя соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора-демультиплексора и с анодом и катодом первого и второго своих диодов соответственно, катоды первых диодов и аноды вторых диодов всех ограничителей соединены с шиной положительного источника питания и с общей шиной соответственно, кодовый вход адреса коммутатора соединен с адресным входом мультиплексора-демультиплексора, сигнальный выход которого соединен с информационным входом преобразователя уровней, кодовый вход управления коммутатора соединен с управляющим входом преобразователя уровней, выход которого является информационным выходом коммутатора. Преобразователь уровней содержит два управляемых формирователя напряжений с переключаемыми выходными сопротивлениями и компаратор, причем формирователи напряжения выполнены на основе резисторов и транзисторных ключей разного типа проводимостей, входы (базы транзисторов) которых соединены с разрядными линиями кодового входа управления коммутатора, информационный вход преобразователя уровней соединен с выходом первого формирователя напряжения и с первым входом компаратора, выход второго формирователя напряжения соединен с вторым входом компаратора, выход которого является выходом преобразователя уровней. Коммутатор [2] предназначен для выполнения функции адресной коммутации множества входных сигналов четырех типов стандарта ГОСТ 18977-79 на один информационный выход с уровнем ТТЛ. Коммутатор [2] функционирует комбинационно так, что после каждого изменения кодов адреса и управления через время установления Tу вырабатывает на информационном выходе ТТЛ сигнал, соответствующий состоянию сигнального входа адресуемого канала ввода. Это осуществляется в процессе адресного подключения сигнального входа коммутатора через резистор диодного ограничителя и мультиплексор-демультиплексор на первый вход компаратора и выход первого формирователя напряжения (управляемого с линии младшего разряда кодового входа коммутатора) и задания порога срабатывания компаратора за счет управления вторым формирователем напряжения с линий двух старших разрядов кодового входа управления коммутатора. Под каналом ввода здесь и далее имеется в виду канал связи [10], образованный выходом сигнала состояния датчика, проводной линией связи (ее длина по ГОСТ 18977-79 может доходить до L = 300 м) и сигнальным входом коммутатора, являющимся выходом канала ввода (связи). Следовательно, коммутатор [2] является как частью более сложной системы (например, микропроцессорной системы обработки информации и управления), так и частью каналов ввода, и функционирование коммутатора [2] необходимо рассматривать с учетом всех системных существенных функциональных, динамических и конструктивных связей. В качестве линий связи каналов ввода используют обычно экранированные провода или кабели с погонной емкостью между сигнальной жилой и экраном (корпусом), оцениваемой величиной Cп ![]() ![]() При адресации датчика сигнала “Разрыв/Корпус” через время Tу установления напряжение на первом входе компаратора стремится к величине ![]() где Rо – сопротивление резистора диодного ограничителя; R1 – выходное сопротивление первого формирователя напряжения. В установившемся режиме, например, при Rо = 1 кОм, R1 = 9 кОм получаем ![]() Однако при “Разрыве” (т.е. при R ![]() ![]() Tу = 2,2 ![]() ![]() ![]() т.е. при L = 300 м, Cп = 100 пФ, (Rо+R1) = 10 кОм получаем оценку T1у = 660 мкс. (5) Из (4) и (5) легко можно видеть, что повысить быстродействие коммутатора [2] при идентификации сигнала “Разрыв” можно лишь уменьшив величину сопротивления (Rо+R1), что в свою очередь повлечет за собой как увеличение рассеиваемой мощности в других каналах с типом сигнала 27 В/Разрыв, так и ухудшение массогабаритной характеристики коммутатора в целом. Действительно, при Rо = 1 кОм (или Rо = 10 кОм) резистор Rо должен быть одноваттным (или 0,125 Вт). Кроме того, недостатком коммутатора [2] является то, что его преобразователь уровней выполнен неэкономно, поскольку для преобразования сигналов четырех типов преобразователь уровней управляется трехразрядным кодом. Предлагаемым изобретением решается задача повышения быстродействия коммутатора и уменьшения его массы и габаритов за счет создания квазипостоянных условий преобразования комплексных сопротивлений в напряжения для всех входных сигналов типа “Разрыв/Корпус” и выборки всех типов входных сигналов с помощью стробов опроса. Для достижения этого технического результата в коммутатор цифровых сигналов, содержащий входной блок параллельных двухсторонних диодных ограничителей, мультиплексор-демультиплексор, преобразователь уровней, кодовые входы адреса и управления, информационный выход и сигнальные входы, число которых равно числу диодных ограничителей во входном блоке, каждый из которых содержит первый и второй диоды ограничения сверху и снизу соответственно и резистор, первый вывод которого соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, второй вывод резистора каждого диодного ограничителя соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора-демультиплексора и с анодом и катодом первого и второго своих диодов соответственно, катоды первых диодов всех ограничителей соединены с шиной цепи питания положительного источника напряжения, кодовый адресный вход коммутатора соединен с адресным входом мультиплексора-демультиплексора, сигнальный выход которого соединен с информационным входом преобразователя уровней, управляющий вход которого соединен с кодовым входом управления коммутатора, дополнительно введены дешифратор, буферный передатчик, четыре элемента И-НЕ и вход стробов опроса, причем выход преобразователя уровней соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И-НЕ, диодные ограничители в блоке разделены на группы так, что в каждой группе аноды вторых диодов соединены между собой и через буферный передатчик связаны с соответствующим группе инверсным выходом дешифратора, адресные входы которого соединены с входами нескольких самых старших разрядов кодового входа адреса коммутатора, вход стробов опроса коммутатора соединен со стробирующим входом дешифратора и с вторыми входами первого и второго элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ соединен с первым входом четвертого элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом четвертого элемента И-НЕ и является информационным выходом коммутатора. Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, эквивалентные отличительным признакам (введение дешифратора, буферного передатчика, четырех элементов И-НЕ и входа строба опроса, соединенного с вторыми входами первого и второго элементов И-НЕ и со стробирующим входом дешифратора, причем диодные ограничители во входном блоке разделены на группы так, что аноды вторых диодов соединены между собой и через буферный передатчик связаны с соответствующим группе инверсным выходом дешифратора) предлагаемого коммутатора, которые по сравнению с прототипом [2] повышают быстродействие коммутатора и уменьшают его массу и площадь, занимаемую им на печатной плате за счет создания квазипостоянных условий преобразования комплексных сопротивлений в напряжения для всех входных сигналов типа “Разрыв/Корпус” и выборки всех типов входных сигналов с по мощью стробов опроса. На фиг. 1 и 2 приведены функциональные схемы соответственно коммутатора цифровых сигналов и его преобразователя уровней для коммутации сигналов четырех типов (“Разрыв/Корпус”, ТТЛ, 27 В/Разрыв, КМОП) при 64 сигнальных входах и разбивке блока диодных ограничителей на восемь групп по восемь ограничителей в каждой группе. Коммутатор цифровых сигналов (фиг. 1) содержит входной блок 1 диодных ограничителей, мультиплексор-демультиплексор 2, преобразователь 3 уровней, дешифратор 4, буферный передатчик 5, первый 6, второй 7, третий 8 и четвертый 9 элементы И-НЕ, 64 сигнальных входа, соединенных с первыми выводами резисторов диодных ограничителей блока 1, причем второй вывод резистора каждого диодного ограничителя соединен с соответствующим сигнальным входом мультиплексора-демультиплексора 2 и с анодом и с катодом первого и второго своих диодов соответственно, катоды первых диодов всех ограничителей соединены с шиной цепи источника питания +5 В, диодные ограничители в блоке 1 разделены на восемь групп по восемь ограничителей так, что в каждой группе аноды вторых диодов ограничителей соединены между собой и связаны через передатчик 5 с соответствующим данной группе инверсным выходом дешифратора 4, кодовый адресный вход коммутатора, образованный трехразрядными входами 10 младших и трехразрядными входами 11 старших разрядов кода адреса, соединен с адресным входом мультиплексора-демультиплексора 2, сигнальный выход 12 которого соединен с информационным входом преобразователя 3, управляющий вход которого соединен с двухразрядным кодовым входом 13 управления коммутатора, выход 14 преобразователя 3 соединен с первым входом элемента 6 И-НЕ, выход которого соединен с первыми входами второго 7 и третьего 8 элементов И-НЕ, входы 11 старших разрядов кода адреса соединены с адресными входами дешифратора 4, вход 15 стробов опроса коммутатора соединен со стробирующим входом дешифратора 4 и с вторыми входами первого 6 и второго 7 элементов И-НЕ, выход второго элемента 7 И-НЕ соединен с первым входом четвертого элемента 9 И-НЕ, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента 8 И-НЕ, выход 16 которого соединен с вторым входом четвертого элемента 9 И-НЕ и является информационным выходом коммутатора. Преобразователь 3 уровней (фиг. 2) содержит управляемый формирователь 17 напряжения с переключаемым внутренним сопротивлением, образованный мультиплексором-демультиплексором 18 и резисторами 19-22, делитель 23 напряжения, образованный резисторами 24-26, и компаратор 27, содержащий операционный усилитель 28 и последовательно-параллельный двухсторонний диодный ограничитель, образованный резисторами 29 и 30 и диодами 31 и 32 ограничения напряжения на выходе 14 сверху и снизу соответственно в пределах уровней ТТЛ. Составные части коммутатора (фиг. 1 и 2) реализованы следующим образом. Каждая из восьми групп диодных ограничителей блока 1 выполнена на диодной матрице 2ДС628А (содержит дважды по восемь диодов для ограничения сверху и снизу соответственно), одном резисторном блоке Б19К-1-1-10 кОм ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 8. Компаратор 27 формирует цифровой сигнал X14 согласно выражению ![]() 9. Динамика функционирования коммутатора (фиг. 1 и 2) по кодам К10А, К11А, К13У и стробу С15 организована так, что эти коды могут изменяться в течение только короткого времени TА ~100 нс после окончания фронта строба С15, в течение С15 = 1 триггер-защелка, собранный на элементах 6-9 И-НЕ, устанавливается в состояние Х16 = Х14 (см. (8)), которое фиксируется по спаду строба С15 и остается неизменным в течение С15 = 0. В процессе функционирования коммутатора можно выделить два режима: режим Р1 преобразования внутренних сопротивлений сигналов состояний датчиков всех каналов ввода в напряжения, выполняемый при С15 = 0; режим Р2 опроса сигнала состояния датчика адресуемого канала ввода, выполняемый при С15 = 1. В режиме Р1 при С15 = 0 дешифратор 4 на всех своих восьми выходах формирует цифровые сигналы высокого ТТЛ уровня, которые через передатчик 5 и вторые диоды всех ограничителей блока 1 проходят на его выходы в виде напряжений Ei ~3 В, до уровня которых заряжаются все паразитные емкости C1пi, отнесенные к выходам блока 1 и сигнальным входам мультиплексора-демультиплексора 2. Через открытый канал мультиплексора-демультиплексора 2 (его сопротивление R2 = 600 Ом) одно из напряжений Ei проходит на выходы мультиплексоров-демультиплексоров 2 и 18 и первый (неинвертирующий) вход компаратора 27 в виде напряжения М12 ![]() ![]() ![]() где U и R – внутренние напряжение и сопротивление сигнала датчика канала i = 0, …, 63; Rо = 10 кОм – величина сопротивления резистора любого ограничителя блока 1. Из (9) видно, что при R << Rо Ui ~ U, а при “Разрыве” (т.е. при U = 0 и R ![]() ![]() В течение С15 = 1 дешифратор 4 на одном из своих восьми выходов, адресуемом кодом К11А, формирует сигнал низкого уровня, который через передатчик 5 подключает к общей шине аноды вторых диодов только одной из восьми групп ограничителей блока 1. По коду (К10А, К11А) адреса выход одного из восьми ограничителей выбранной группы через мультиплексор-демультиплексор 2 подключается на выходы мультиплексоров-демультиплексоров 2 и 18 и первый вход компаратора 27. Если на адресуемом входе i = А0 + 2 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() до величины М12 < М23, определяемой выражениями ![]() Время установления Tу напряжения М12 < М23 оценивается выражением Tу = TА + TП + 2,2 ![]() ![]() где TП – длительность времени переключения канала мультиплексора-демультиплексора 2 (или 18). Наибольшим время (13) будет при У1 = 0, т.е. когда паразитные емкости C1пi и C2п разряжаются через сопротивление Rр ~ Rо = 10 кОм – см. (11) при R17 = 68 кОм. При C1пi = C2п = 25 пФ, TА = 100 нс, TП = 300 нс и Rр = 10 кОм из (13) получаем, что через максимальное время T2у = 1,5 мкс (14) после установления С15 = 1 напряжение М12, определяемое выражениями (12), становится меньше напряжения М23, компаратор 27 и триггер-защелка переключаются из “1” в “0”, и только после этого строб С15 переключается из “1” в “0”, и коммутатор переходит в режим Р1 функционирования. Таким образом, по каждому спаду строба С15 на выходе 16 коммутатора формируется сигнал Х16 выборки сигнала состояния датчика, адресуемого кодом “А0. . .А5” канала ввода, которая в течение С15 = 0 должна быть обработана в устройстве для ввода информации. В этой связи при использовании данного коммутатора цифровых сигналов в устройствах типа [1,2] вход строба опроса коммутатора необходимо соединить со счетным входом счетчика адреса, формирующего код “А0. ..А5” непосредственно [1] (или через блок памяти в [2]) и переключающегося по фронтам сигналов на его счетном входе. Сравнивая (5) и (14), получаем T1у/T2у = 440, (15) что по сравнению с прототипом [2] предлагаемый коммутатор имеет в несколько сот раз более высокое быстродействие. Кроме того, при количестве сигнальных входов 64 его блок 1 (содержит по восемь штук резисторов типа С2-33-0,125-10 кОм, резисторных блоков Б19К-1-1-10 кОм и диодных матриц 2ДС628А) имеет примерно в три раза меньшую массу и габариты по сравнению с блоком диодных ограничителей (содержит 64 одноваттных резисторов С2-33-1,0-1 кОм и восемь диодных матриц 2ДС628А) устройства [2]. Таким образом, по сравнению с прототипом [2] предлагаемый коммутатор благодаря его существенным признакам обладает более высоким быстродействием (см. оценку (15)) при меньшей массе и площади, занимаемой им на печатной плате. Список литературы 1. А.с. 1086420, G 06 F 3/00, СССР. Устройство для ввода информации / В. А.Сечкин, В.И.Юлдашев. Опубл. 1984. Бюл. N 44. 2. А. с. 1540544, G 06 F 13/00, СССР. Устройство для сопряжения электронной вычислительной машины с дискретными датчиками / Ю.В. Крюков, А.В. Кузнецов. – Опубл. 1988 – прототип. 3. А.с. 653745, H 03 K 17/78, СССР. Коммутатор двухпозиционных сигналов / А.Г. Тищенко, Т.А. Караева, А.А. Яковенко. Опубл. 1979. Бюл. N 11. 4. А.с. 661798, H 03 K 17/60, СССР. Многоканальный коммутатор аналоговых сигналов / А.А.Редкокаша. Опубл. 1979. Бюл. N 17. 5. А. с. 729844, H 03 K 17/02, СССР. Коммутатор / Ю.Н. Цыбин. Опубл. 1980. Бюл. N 15. 6. Пухальский Г.И. Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. – М.: Радиосвязь, 1990. – 304 с.: “Мультиплексоры”, с. 103-109. 7. Пухальский Г. И. , Новосельцева Т.Я. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах, Справочник. – М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.: “Мультиплексоры-демультиплексоры”, с. 109-113. 8. Функциональные устройства судовых автоматизированных систем / Б.В. Бруслиновский, М. Н. Катханов и др. – Л.: Судостроение, 1991. – 336 с.: “Адресуемые узлы коммутации”, с. 253-256. 9. Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. – 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1989. – 527 с.: “Двухсторонний диодный ограничитель (рис. 3.76)”, с. 154-156. 10. Микроэлектронные устройства автоматики / А.А. Сазонов, А.Ю. Лукичев, В. Т. Николаев и др.; Под ред. А.А. Сазонова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 384 с.: “Электрические линии связи”, с. 288-298; “Виды паразитной связи”, с. 301-304. 11. Белоруссов Н.И. и др. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник / Н. И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева. Под ред. Н.И. Белоруссова. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 536 с.: “Кабель гибкий экранированный ТРЭТБ”, с. 271-272. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 28.04.2009
Извещение опубликовано: 27.04.2010 БИ: 12/2010
|
||||||||||||||||||||||||||