УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА
GENERATOR CONTROL DEVICE

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для повышения надежности цифровых систем транспортных устройств в условиях воздействия механических ударов.
Известен резервированный генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР №1192177, «Резервированный генератор импульсов», В.П. Пономаренко, С.П. Ковита и А.Н. Медведев, опубликовано 15.11.1985, БИ №42), содержащий основной эталонный генератор, подключенный выходом к первому входу блока фазирования, к второму входу которого подключен выход резервного генератора, и к входу блока переключения, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора. Первый информационный вход коммутатора связан с выходом блока фазирования, а второй информационный вход - с выходом основного эталонного генератора, делитель частоты, подключенный входом к выходу коммутатора. Выход блока фазирования соединен со своим третьим входом. Блок переключения содержит ключевой усилитель, вход которого является входом блока, выход ключевого усилителя соединен с первым выводом накопительного конденсатора, подключенного вторым выводом к общей шине, и выходной ключевой элемент, выход которого является выходом блока, а вход подключен к первому выводу накопительного конденсатора.
Недостатком данного устройства является недостаточная надежность в условиях воздействия механических ударов, так как из-за обрыва кварцедержателя в кварцевом резонаторе основного эталонного генератора, произошедшем в результате сильного удара, эталонный генератор переходит на другую частоту, определяемую параметрами паразитных емкостей схемы, а блок переключения этого не выявляет, так как не имеет полосового фильтра. В этом случае переключения на резервный генератор не произойдет.
Известен резервированный генератор импульсов (см. авторское свидетельство СССР №610289, «Резервированный генератор импульсов», Н.Б. Бланк, Л.Я. Кузьменко и В.П. Яковлев, опубликовано 05.06.1978, БИ №21), содержащий источник питания и два канала, каждый из которых содержит генератор импульсов выход которого подключен к входу полосового фильтра, выход которого соединен с входом интегрирующего каскада, выход которого подключен к управляющему входу ключа, выход которого подсоединен к шине питания смежного генератора импульсов, а источник питания подключен к шинам питания интегрирующих каскадов и ключей обоих каналов.
Недостатком данного устройства является низкая надежность в условиях воздействия механических ударов, что обусловлено его симметричностью, так как при высоких требованиях к стабильности генерируемой частоты предполагает использование в обоих генераторах задающих кварцевых резонаторов. Это приводит к недостаточной устойчивости устройства к механическим ударам, так как сильный механический удар может привести к срыву кристаллов кварца с кварцедержателей в обоих генераторах. Использование в устройстве разных генераторов (одного с кварцевым резонатором для обеспечения требуемой стабильности генерируемой частоты при отсутствии сильных ударов, а другого с использованием времязадающей RC-цепи, имеющей высокий уровень устойчивости к механическим ударам) не имеет смысла, так как при включении питания инициативу захватит RC-генератор, которому не нужно время на раскачку кварцевого резонатора, а кварцевый генератор окажется в резерве. Другим недостатком данного устройства является его непригодность к миниатюризации путем реализации на основе микросхемы ПЛИС, так как устройстве используются аналоговые элементы: полосовые фильтры и интегрирующие каскады. Кроме того, при работе устройства часть его элементов не запитана (находится в холодном резерве) что невозможно реализовать на основе одной микросхемы ПЛИС. Третьим недостатком данного устройства является большая пауза в формировании импульсов при переключении на резервный канал, что обусловлено необходимостью раскачки кварцевого резонатора в резервном генераторе при подаче на него питания.
Известно устройство контроля работы генератора (см. книгу «Микроэлектронные схемы цифровых устройств», Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. - М: ТЕХНОСФЕРА, 2009 - с. 394, рис. 10.46а), содержащее основной генератор импульсов, выход которого соединен с первым информационным входом коммутирующего элемента и входом схемы выделения фронта, резервный генератор импульсов, выход которого соединен со вторым информационным входом коммутирующего элемента и первым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к тактовому входу счетчика импульсов, вход сброса которого соединен с выходом схемы выделения фронта, а выход старшего разряда счетчика импульсов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента и со вторым входом логического элемента ИЛИ-НЕ, выход коммутирующего элемента является выходом устройства.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности обнаружения выхода частоты основного генератора за пределы допустимого интервала, так как схема выделения фронта обнаруживает лишь срыв (прекращение) генерации, но не обнаруживает переход основного генератора в режим паразитной генерации при обрыве кварцедержателя резонатора.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Решаемой технической задачей является создание устройства контроля работы генератора, повышающего достоверность контроля за счет обнаружения как прекращения генерации основного генератора, так и выхода генерируемой им частоты импульсов за пределы допустимого интервала.
Достигаемым техническим результатом является повышение надежности генератора импульсов в условиях воздействия механических ударов.
Для достижения технического результата в устройство контроля работы генератора, содержащее основной и резервный генераторы, первый логический элемент, коммутирующий элемент, выход которого является выходом устройства, а первый и второй информационные входы подключены к выходам основного и резервного генераторов соответственно, первый счетчик импульсов, выход старшего разряда которого соединен с первым входом первого логического элемента, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, дополнительно введены второй счетчик импульсов, первый и второй дешифраторы триггер и второй логический элемент, первый вход которого соединен с шиной начальной установки и входами начальной установки второго счетчика и триггера, выход которого подключен к управляющему входу коммутирующего элемента, выход второго логического элемента соединен с входом начальной установки первого счетчика, выходы которого подключены к входам первого дешифратора, выход которого соединен с информационным входом триггера, счетный вход второго счетчика импульсов подключен к выходу резервного генератора, а выходы - к входам второго дешифратора, первый выход которого соединен с тактовым входом триггера, а второй выход - с вторым входом второго логического элемента, второй вход первого логического элемента соединен с выходом основного генератора, времязадающим элементом основного генератора является кварцевый резонатор, а времязадающим элементом резервного генератора является конденсатор.
Указанная совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность генератора импульсов в условиях воздействия механических ударов за счет контроля работы основного генератора и, в случае его отказа, переключения на резервный генератор.
На фиг. 1 приведена схема устройства контроля работы генератора, на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу.
Устройство контроля работы генератора содержит основной 1 и резервный 2 генераторы, первый логический элемент 3, коммутирующий элемент 4, выход которого является выходом 5 устройства, а первый и второй информационные входы подключены к выходам основного 1 и резервного 2 генераторов соответственно, первый счетчик импульсов 6, выход старшего разряда которого соединен с первым входом первого логического элемента 3, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов 6, отличающееся тем, что дополнительно введены второй счетчик импульсов 7, первый 8 и второй 9 дешифраторы, триггер 10 и второй логический элемент 11, первый вход которого соединен с шиной начальной установки 12 и входами начальной установки второго счетчика импульсов 7 и триггера 10, выход которого подключен к управляющему входу коммутирующего элемента 4, выход второго логического элемента 11 соединен с входом начальной установки первого счетчика импульсов 6, выходы которого подключены к входам первого дешифратора 8, выход которого соединен с информационным входом триггера 10, счетный вход второго счетчика импульсов 7 подключен к выходу резервного генератора 2, а выходы - к входам второго дешифратора 9, первый выход которого соединен с тактовым входом триггера 10, а второй выход - с вторым входом второго логического элемента 11, второй вход первого логического элемента 3 соединен с выходом основного генератора 1, времязадающим элементом основного генератора 1 является кварцевый резонатор 13, а времязадающим элементом резервного генератора 2 является конденсатор 14.
Устройство контроля работы генератора (см. фиг. 1) работает следующим образом.
пит.
пит
При включении питания по шине начальной установки 12 поступает импульс сброса R (см. фиг. 2, цикл 1), который обнуляет оба счетчика 5 и 7 и триггер 10. Основной генератор 1 запустится через некоторое время, необходимое на раскачку кварцевого резонатора 13. В зависимости от типа генератора и резонатора это время может быть от нескольких единиц до нескольких сотен мс. В течение этого времени первый счетчик 6 остается в исходном состоянии, и на выходе первого дешифратора 8 импульсы ДТП 1 не формируются (см. фиг. 2, цикл 1). Сразу после включения питания резервный генератор 2 начинает генерировать импульсы, которые поступают на счетный вход второго счетчика 7. После прекращения импульса сброса R счетчик 7 начинает непрерывную работу, при этом на выходах второго дешифратора 9 формируются импульсы ДШ2-С, поступающие на тактовый вход триггера 10, и импульсы ДШ2-R, поступающие через второй логический элемент 11 на вход сброса первого счетчика 6 (см. фиг. 2).
Пока не раскачается резонатор 13 основного генератора 1, на информационном входе триггера 10 удерживается низкий логический уровень и импульсы ДШ2-С (см. фиг. 2, цикл 1) подтверждают исходное (нулевое) состояние триггера 10, при котором через коммутирующий элемент 4 на выход 5 устройства проходят импульсы резервного генератора 2. Импульсы ДШ2-R периодически подтверждают исходное (нулевое) состояние первого счетчика 6.
Когда резонатор 13 раскачается, на выходе основного генератора 1 появятся импульсы, которые начнут поступать через первый логический элемент 3 на счетный вход первого счетчика 6. Как правило, момент начала формирования указанных импульсов не совпадает с импульсом ДШ2-R, поэтому в соответствующем цикле работы (см. фиг. 2, цикл N-1) импульсы ДШ1 и ДШ2-С не совпадают, и триггер 10 остается в нулевом состоянии. Однако в следующем цикле (см. фиг. 2, цикл N) фронт импульса ДШ2-С совпадет с импульсом ДНИ, формируемым первым дешифратором 8, и триггер 10 переключится в единичное состояние, при котором через коммутирующий элемент 4 на выход 5 устройства начнут проходить импульсы основного генератора 1.
Если в результате сильного механического удара кристалл резонатора 13 сорвется с кварцедержателя, основной генератор 1 перестанет формировать импульсы, первый счетчик 6 обнулится очередным импульсом ДШ2-R и останется в этом состоянии в связи с отсутствием счетных импульсов. На информационном входе триггера 10 будет присутствовать низкий логический уровень и очередной импульс ДШ2-С переключит его в нулевое состояние, при котором через коммутирующий элемент 4 на выход 5 устройства начнут проходить импульсы резервного генератора 2.
Таким образом импульсы резервного генератора 2 проходят на выход 5 устройства после включения питания, пока не выйдет на режим генерации основной генератор 1, и при отказе основного генератора вследствие механического удара или по другим причинам. Нестабильность времени выхода на режим генерации основного генератора 1 весьма велика и зависит от активности кварцевого резонатора, коэффициента усиления активного элемента генератора и ряда других факторов. В тех случаях, когда генератор импульсов тактирует устройство, формирующее временные интервалы, отсчитываемые от момента подачи питания, погрешность, обусловленная нестабильностью времени выхода основного генератора на режим генерации входит в аддитивную часть общей погрешности. В заявляемом устройстве интервал времени между моментом подачи питания и моментом выхода на режим генерации основного генератора 1 заполнен импульсами, формируемыми резервным генератором 2. Если принять меры для стабилизации частоты резервного генератора 2 (стабилизировать напряжение его питания, использовать во времязадающей RC-цепи прецизионные элементы), то аддитивную часть общей погрешности можно уменьшить в несколько раз. Это является дополнительным положительным результатом заявляемого устройства.
Проведено макетирование устройства контроля работы генератора с использованием микросхемы ПЛИС АРА 150, кварцевого резонатора РК486-8ТС-10000К, конденсатора КМ-5 в бескорпусном исполнении (вариант «в») с допуском ±2% и группой по температурной нестабильности МП0 и прецизионного резистора С2-29 с допуском ±0,1%. Испытания макета подтвердили работоспособность заявляемого устройства и его практическую ценность. Аддитивная составляющая общей погрешности кварцевого генератора, обусловленная нестабильностью времени раскачки кварцевого резонатора, уменьшена в 6 раз за счет заполнения указанного времени импульсами резервного RC-генератора.