Способ синхронизации тактовых импульсов внешним импульсом
METHOD OF SYNCHRONIZING CLOCK PULSES WITH EXTERNAL PULSE

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано в прецизионных генераторах импульсов.
В прецизионных генераторах импульсов, предназначенных для генерирования последовательностей импульсов с задаваемыми временными параметрами: длительностью, временной задержкой и периодом повторения, возникает проблема синхронизации генерируемой последовательности импульсов внешним импульсом. Это означает, что отсчёт любых временных параметров генерируемой последовательности импульсов осуществляется относительно внешнего импульса.
Обычно прецизионные генераторы импульсов строятся как цифровые устройства, и имеют свой точный источник тактовых импульсов. Если в качестве источника сигнала синхронизации выбирается встроенный источник тактовых импульсов, то временные параметры генерируемых импульсов кратны периоду тактовых импульсов, а погрешность их установки определяется в основном погрешностью периода тактовых импульсов. Однако при синхронизации от внешнего импульса, который никак не привязан к тактовым импульсам самого генератора, погрешность привязки к внешнему импульсу может варьироваться в пределах одного периода тактовых импульсов. Для исключения этой вариативности положение тактового импульса относительно внешнего импульса должно быть одним и тем же, то есть задержка фронта (спада) тактового импульса должна быть постоянной относительно фронта (спада) внешнего импульса.
Известно устройство [1. RU2256290 C2. Устройство фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. 05.05.2003г.] в котором реализуется способ фазовой привязки, сущность которого состоит в преобразовании задержки между импульсом внешнего запуска и предшествующим ему тактовым импульсом в пропорциональное напряжение и, далее, с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код, сохранении его в виде цифрового кода и последующем обратном преобразовании сохранённого цифрового кода в уровень напряжения с помощью цифро-аналогового преобразователя и, далее, преобразовании напряжения в задержку всех последующих тактовых импульсов. Из задержанных тактовых импульсов формируются последовательности выходных импульсов прецизионного генератора с заданными временными параметрами – задержкой от начала периода, задержкой между парными импульсами, длительностью импульсов, периодом повторения.
Формирование временных параметров (временных интервалов) осуществляется классическими методами с использованием счётчиков тактовых импульсов, регистров, содержащих коды временных параметров, и схем совпадения. Выходные сигналы схем совпадения синхронизируются задержанными тактовыми импульсами. Поэтому медленные изменения их положения относительно импульса внешнего запуска под воздействием дестабилизирующих факторов и дрожание фронтов (джиттер – быстрое изменение положения) приводят к погрешности формирования последовательности импульсов.
Преобразование задержки тактовых импульсов относительно импульса внешнего запуска в напряжение, далее в цифровой код, затем снова в напряжение и, наконец, опять в задержку приводит к накоплению ошибок в длинной цепи преобразований. Кроме того, преобразование временного интервала в напряжение и обратное преобразование осуществляется аналоговыми устройствами на фоне импульсных помех, порождаемых работой цифровых устройств генератора, что также увеличивает погрешность фазовой привязки.
Известен также способ преодоления указанных недостатков, выбираемый в качестве прототипа [2. RU 2447576 С2. Способ фазовой привязки генерируемой последовательности импульсов к импульсу внешнего запуска. 29.06.2010 г.], состоящий в прямом преобразовании задержки в цифровой код, сохранении этого кода и последующем преобразовании кода в задержку тактовых импульсов. Преобразование задержки в цифровой код осуществляется сохранением в запоминающем регистре, в момент появления импульса внешнего запуска, выходных сигналов многоотводной линии задержки, по которой распространяется электромагнитная волна тактового импульса. Полученный цифровой код преобразуется дешифратором (преобразователем кода) в сигналы управления мультиплексором, выделяющим лишь один из выходных сигналов многоотводной линии задержки, представляющий собой задержанные тактовые импульсы, привязанные к импульсу внешнего запуска.
Этот способ обеспечивает полный отказ от аналоговых узлов при запоминании и воспроизведении задержки.
Недостатком его является необходимость точного согласования длительности задержки и периода следования тактовых импульсов. Кроме того, тактовые импульсы должны иметь фиксированную скважность, например, равную 2. Поскольку в процессе эксплуатации величина задержки изменяется при воздействии температуры и в результате деградации, а суммарная задержка может быть как меньше, так и больше периода следования тактовых импульсов, то при использовании преобразователя кодов спроектированного под указанные выше условия его работоспособность нарушается, так как во входной последовательности кодов появляются непредусмотренные коды (например, при уменьшении величины задержки количество единиц в коде не равно количеству нулей, а при номинальной величине задержки это равенство соблюдается всегда). Это приводит к неработоспособности устройства при абсолютных изменениях задержки приближающихся, или превышающих задержку одного элемента. Преобразователь кодов возможно спроектировать для работы в заранее заданном диапазоне изменений величины задержки, при этом, при величине задержки менее периода, погрешность синхронизации возрастает на величину равную разности периода тактовых импульсов и длительности задержки. Помимо этого, объём оборудования преобразователя кодов резко увеличивается, а масштабируемость решения, т.е. отсутствие необходимости в перепроектировании устройства при изменении количества отводов многоотводной линии задержки с целью повышения точности синхронизации, отсутствует.
Технической задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является уменьшение погрешности формирования временных интервалов при изменении длительности суммарной задержки многоотводной линии задержки вследствие влияния технологических факторов и условий эксплуатации, уменьшение объёма оборудования и придание свойства масштабируемости.
Способ, обеспечивающий решение этой задачи, состоит в сохранении двоичного кода, представляющего собой состояние выводов многоотводной линии задержки при распространении вдоль неё тактового импульса, в запоминающем регистре в момент появления внешнего импульса (его фронта или спада) и последующем сравнении сохранённого в запоминающем регистре кода с текущим кодом многоотводной линии задержки, при этом синхронизированные тактовые импульсы формируются в момент совпадения кодов на выходе схемы совпадения (сравнения кодов).
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 – Структурная схема устройства, реализующего способ синхронизации тактовых импульсов с внешним импульсом; фиг. 2 – Временная диаграмма устройства, реализующего способ синхронизации тактовых импульсов с внешним импульсом
Способ реализуется устройством, приведенным на фигуре 1 и состоящим из: многоотводной линии задержки 1; запоминающего регистра 2; схемы совпадения кодов (сравнения кодов).
11
1m
21
2m
31
3m
41
4m
31
3m
Тактовые импульсы CLK поступают на вход многоотводной линии задержки 1, выходы Q-Q которой соединены с соответствующими входами D-D запоминающего регистра 2 и входами D-D схемы совпадения 3, а выходы Q21-Q2m запоминающего регистра 2 соответственно соединены с входами D-D схемы совпадения 3.  Внешний импульс поступает на вход записи запоминающего регистра 2, а синхронизированные тактовые импульсы SCLK снимаются с выхода схемы совпадения 3. Вследствие периодичности тактовых импульсов чередование кодов на входах D-D также будет периодическим, при этом схема совпадения будет срабатывать с периодичностью тактовых импульсов, но момент срабатывания будет определяться кодом сохранённым в момент прихода внешнего импульса, то есть тактовые импульсы оказываются синхронизированными с внешним импульсом с средним значением абсолютной погрешности равной ½ задержки одного элемента многоотводной линии задержки.
Многоотводная линия задержки может быть построена на любой элементной базе, в том числе на логических элементах, представляя собой цепь последовательно соединенных устройств с ответвлениями в точках соединения выхода и входа смежных элементов, на основе фазосдвигающих LC-цепей и др.
Проходя через многоотводную линию задержки 1 с количеством отводов m, тактовые импульсы задерживаются на каждом её элементе на фиксированное время Δt. Полное время задержки равно m*Δt. Полное время задержки многоотводной линии задержки выбирается из условия уникальности каждого кода на интервале равном периоду следования тактовых импульсов, что достигается при величине этой задержки превышающей как длительность тактового импульса, так и длительность паузы. При скважности (отношение периода следования к длительности импульса) равной двум, минимальную величину полной длительности задержки следует выбирать не менее
max
m*Δt > T/2+ ΔT,
max
где Т – период тактовых импульсов,  ΔT – максимальное отклонение полной задержки от номинального значения в условиях эксплуатации.
При выполнении данного условия в последовательности кодов, формирующихся на выходах многоотводной линии задержки, никогда не встретится два следующих друг за другом кода, состоящих из одних нулей или только одних единиц.
Временная диаграмма на фиг.1 поясняет работу устройства. На ней CLK – тактовые импульсы, подаваемые на вход многоотводной линии задержки. Выходные импульсы с первого, второго и т.д. отводов обозначены соответственно 1Δt – 8Δt. Последовательность тактовых импульсов на последующем выводе задержана относительно последовательности тактовых импульсов на предыдущем выводе на Δt. Полная задержка 8Δt превышает половину периода тактовых импульсов Т/2. Штриховая линия обозначенная цифрой 1 соответствует моменту прихода внешнего импульса, по фронту или спаду которого (в зависимости от выбора синхронизирующего перехода) сохраняется код, присутствующий в виде высокого или низкого уровня на выводах многоотводной линии задержки. На диаграмме этот код равен 00011111. Перемещая линию 1 в пределах периода Т, можно убедиться, что каждый из двоичных кодов является уникальным и, следовательно, однозначно определяет положение внешнего импульса в пределах периода тактовых импульсов с погрешностью +/- ½ Δt. Штриховая линия 2 соответствует моменту совпадения кода записанного в запоминающий регистр с кодом появившемся на выводах многоотводной линии задержки через интервал времени равный периоду следования тактовых импульсов. Линии 3-4 ограничивают интервал неопределённости положения внешнего импульса в пределах периода тактовых импульсов.
max
При выбранном разрешении увеличение полного времени задержки сверх указанной выше величины m*Δt > T/2+ ΔT, нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению объёма оборудования (разрядности запоминающего регистра, разрядности схемы совпадения и количества элементов многоотводной линии задержки). Однако при необходимости легко повысить временное разрешение простым увеличением перечисленных параметров.
Предложенный способ синхронизации исключает сбой синхронизации и возрастание погрешности при воздействии факторов, уменьшающих время задержки элемента. Позволяет уменьшить количество элементов в линии задержки при сохранении погрешности синхронизации, или уменьшить погрешность синхронизации при том же количестве отводов многоотводной линии задержки, но уменьшенной задержке каждого элемента. Легко масштабируется за счёт применения типовых цифровых элементов запоминающих регистров и схем совпадения, которые позволяют легко наращивать разрядность.