ОПТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области электросвязи, а именно к оптронным устройствам для приема дискретных сигналов, и может быть использована для обеспечения согласованной работы приемников оконечных установок документальной связи и физических линий.
Предлагаемое устройство может быть применено в телеграфном терминальном оборудовании, обеспечивающем прием дискретной информации, передаваемой по линейным цепям сигналами постоянного тока как одного направления, так и двух направлений (в однополюсном и двухполюсном режимах соответственно) [ГОСТ Р 51026-97. Цепи внешние оконечных установок документальной электросвязи (стр.4, п.6.3; стр.5, п.6.4), ГОСТ 25830-83. Цепи внешние телеграфных буквопечатающих стартстопных аппаратов пятиэлементного кода, ГОСТ 22937-78. Цепи местные двухполюсные систем телеграфной связи и передачи данных].
Известно оптронное устройство для приема дискретных сигналов, передаваемых по физической линии, обеспечивающее их регистрацию и передачу в цифровой приемник, который гальванически изолирован от линии связи [Патент РФ №44904, МПК 7 Н 03 К 17/78, Н 03 К 17/56 «Оптронное устройство для приема биполярных сигналов», опубл. 27.03.2005. Бюл. №9].
Известное устройство содержит два оптрона, входными цепями которых являются светодиоды, диодный мост, первый выход которого подключен к аноду светодиода первого оптрона, катод светодиода которого соединен со вторым выходом диодного моста, первый вход
которого подключен к первой входной клемме, вторая входная клемма соединена с анодом диода, включенного встречно и параллельно светодиоду второго оптрона, анод светодиода которого соединен со вторым входом диодного моста, первый и второй транзисторные ключи, входы которых подключены к выходам первого и второго оптронов соответственно, синхронный триггер D-типа, вход синхронизации которого соединен с выходом первого транзисторного ключа, выход второго транзисторного ключа подключен к информационному входу триггера D-типа, прямой выход которого соединен с выходной клеммой, к которой подключается цифровой приемник.
В известном оптронном устройстве достигнута высокая стабильность уровней регистрации биполярных сигналов, поступающих из линии связи, чем обеспечивается высокая точность их приема при действии на устройство дестабилизирующих факторов (температура, радиация, временное старение радиоэлементов, особенно оптронов).
Кроме того, оптронное устройство не критично (индифферентно) к полярности входных сигналов за счет наличия диодного моста, что упрощает его эксплуатацию.
Недостатками известного устройства являются ограниченные функциональные возможности и низкая надежность работы при аварийных ситуациях в линии связи.
Первый недостаток обусловлен тем, что устройство способно принимать только те сигналы, в которых полярности токовых посылок чередуются (т.е. биполярные сигналы). Если же на вход устройства поступают сигналы, полярности которых не чередуются (однополярные сигналы, в которых присутствуют только токовые и бестоковые посылки), то их прием на выходной клемме становится невозможным, так как в этом случае синхронный триггер D-типа перестает переключаться. Съем принятых однополярных сигналов может быть произведен с выхода первого транзисторного ключа, однако в этом случае требуется участие
оператора для отключения входа цифрового приемника от прямого выхода триггера D-типа и подключения его к выходу первого транзисторного ключа. Кроме того, при этом требуется изменение уровня регистрации сигналов и установка его оптимальным для однополярных сигналов, а также изменение (уменьшение) входного сопротивления устройства (в соответствии с ГОСТ Р 51026-97). Все это усложняет эксплуатацию устройства, когда возникает необходимость приема однополярных сигналов.
Второй недостаток обусловлен возможностью перегрузки светодиодов оптронов большими линейными токами, например токами, наведенными в линии связи электромагнитными полями грозовых разрядов, что может привести к необратимым явлениям в устройстве и выходу его из строя.
Известно также оптронное устройство для приема дискретных сигналов, которое обеспечивает прием однополярных сигналов (токовых и бестоковых посылок) [Патент РФ №56091, МПК 7 Н 03 К 17/78, Н 03 К 17/56 «Оптронное устройство для приема однополярных сигналов», опубл. 27.08.2006. Бюл. №24], выбранное в качестве ближайшего аналога.
Известное устройство содержит два оптрона, входными цепями которых являются светодиоды, диодный мост, первый выход которого подключен к аноду светодиода первого оптрона, а первый вход - к первой входной клемме, два транзисторных ключа, выходную клемму, соединенную со входом цифрового приемника, диод, синхронный триггер D-типа, вход синхронизации которого подключен к выходу первого транзисторного ключа, вход которого соединен с выходом первого оптрона, информационный вход триггера D-типа подключен к выходу второго транзисторного ключа, вход которого соединен с выходом второго оптрона, анод светодиода которого подключен ко второму входу диодного моста и катоду диода, вторую входную клемму, пять резисторов, нелинейный двухполюсник, два стабилитрона, три буферных
формирователя выходных сигналов и блок индикации, первый вход которого подключен к выходу первого буферного формирователя выходных сигналов, вход которого соединен с прямым выходом триггера D-типа, инверсный выход которого подключен ко входу второго буферного формирователя выходных сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока индикации, при этом нелинейный двухполюсник и первый резистор соединены последовательно и включены между первым выходом диодного моста и его вторым выходом, к которому через второй резистор подсоединены первый вывод третьего резистора и катод светодиода первого оптрона, анод которого подключен ко второму выводу третьего резистора, анод диода через четвертый резистор соединен со второй входной клеммой, а через пятый резистор - с катодом светодиода второго оптрона, причем выходная клемма соединена с выходом третьего буферного формирователя выходных сигналов, вход которого подключен ко входу синхронизации триггера D-типа, а стабилитроны соединены встречно и последовательно и включены между первым входом диодного моста и анодом диода.
В известном оптронном устройстве прием однополярных дискретных сигналов обеспечивается в широком динамическом диапазоне амплитуд токовых посылок при высокой стабильности уровня регистрации входных сигналов (за счет наличия нелинейного двухполюсника). При этом устройство не критично к полярности входных сигналов (за счет диодного моста) и надежно защищено от аварийных ситуаций в линии связи (за счет параметрического стабилизатора на основе двух стабилитронов и самовосстанавливающегося резистивного предохранителя).
Недостатком известного устройства также являются ограниченные функциональные возможности.
Указанный недостаток обусловлен тем, что устройство способно принимать относительно заданного уровня (порога) только однополярные
сигналы, в которых происходит чередование токовых и бестоковых посылок. Если же на вход устройства поступают биполярные сигналы, в которых полярности токовых посылок чередуются (токи различных направлений), то их регистрация цифровым приемником становится невозможной, так как в этом случае первый транзисторный ключ переключается как от посылки положительной полярности, так и от посылки отрицательной полярности. В результате этого цифровой приемник не может различать стартовые и стоповые комбинации входного биполярного сигнала, а соответственно не может осуществлять прием дискретной информации, передаваемой токами двух направлений.
При разработке предлагаемого оптронного устройства для приема дискретных сигналов была поставлена задача расширения функциональных возможностей устройства и обеспечения оптимальных условий для приема как биполярных дискретных сигналов, так и однополярных дискретных сигналов одним устройством (универсальным) с возможностью оперативного выбора режима работы этого устройства как оператором (программный выбор), так и автоматически (адаптивный выбор) в зависимости от вида входных сигналов (однополярные или биполярные). При этом в предлагаемом устройстве должны быть сохранены достоинства аналогов: высокая точность регистрации одно - и биполярных дискретных сигналов при действии дестабилизирующих факторов и высокая надежность при аварийных ситуациях в линиях связи.
Таким образом, целью полезной модели является расширение функциональных возможностей оптронного устройства для приема дискретных сигналов и повышение оперативности управления режимами его работы при обеспечении высокой точности регистрации дискретных сигналов и высокой надежности устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в оптронное устройство для приема дискретных сигналов, содержащее два оптрона, входными цепями которых являются светодиоды, диодный мост, первый выход
которого подключен к аноду светодиода первого оптрона, катод которого через первый резистор соединен со вторым выходом диодного моста и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с катодом нелинейного двухполюсника, анод которого через третий резистор подключен к катоду светодиода первого оптрона, выход которого соединен со входом первого транзисторного ключа, выход которого подключен ко входу синхронизации синхронного триггера D-типа, информационный вход которого соединен с выходом второго транзисторного ключа, вход которого подключен к выходу второго оптрона, анод светодиода которого объединен с первым входом диодного моста и катодом диода, анод которого подключен через четвертый резистор к первой входной клемме, через пятый резистор - к катоду светодиода второго оптрона, а через стабилитроны, соединенные встречно и последовательно - ко второму входу диодного моста, три буферных формирователя сигналов, блок индикации, цифровой приемник, вход которого подключен к выходу первого буферного формирователя сигналов, выход второго буферного формирователя сигналов соединен с первым входом блока индикации, второй вход которого подключен к выходу третьего буферного формирователя сигналов, вторую входную клемму, введены шестой резистор, инвертор, два оптоэлектронных реле, усилитель тока, блок управления, цифровой передатчик и четвертый буферный формирователь сигналов, вход которого подключен к выходу цифрового передатчика, а выход соединен с первым входом блока управления, второй вход которого подключен к выходу триггера D-типа, вход синхронизации которого соединен с третьим входом блока управления, первый выход которого подключен ко входу первого буферного формирователя сигналов, а второй выход блока управления объединен со входами инвертора, второго буферного формирователя сигналов и усилителя тока, выход которого подключен ко входам оптоэлектронных реле, при этом анод нелинейного двухполюсника
соединен с первым выходом первого оптоэлектронного реле, второй выход которого подключен к первому выходу диодного моста, второй вход которого соединен с первым выходом второго оптоэлектронного реле, второй выход которого подключен ко второй входной клемме, причем выход инвертора соединен со входом третьего буферного формирователя сигналов, а шестой резистор включен между выходами второго оптоэлектронного реле.
В зависимости от требований к оперативности выбора оптимального режима работы устройства (однополюсный или двухполюсный) блок управления должен иметь различные варианты исполнения.
Если до начала работы устройства вид принимаемых дискретных сигналов известен (однополярные или биполярные), то оптимальные условия для их приема могут быть заданы оператором вручную (программно). В этом случае блок управления целесообразно выполнять по структуре, которая содержит мультиплексор, RS-триггер и дешифратор, вход которого является первым входом блока управления, а выходы дешифратора соединены соответственно со входами RS-триггера, инверсный выход которого является вторым выходом блока управления и соединен с адресным входом мультиплексора, первый вход которого является третьим входом блока управления, первый выход которого является выходом мультиплексора, второй вход которого является вторым входом блока управления.
В таком блоке управления дешифратор предпочтительно выполнять по схеме двоично-десятичного счетчика (для минимизации структуры).
Если перед началом работы устройства вид принимаемых дискретных сигналов неизвестен (или если вид дискретных сигналов в процессе их приема может измениться), то превентивный выбор оператором режима работы устройства (однополюсный или
двухполюсный) становится невозможным. В таких условиях блок управления должен обладать адаптивными функциями, обеспечивающими автоматический выбор оптимальных условий для приема дискретных сигналов любого вида. Для таких случаев блок управления необходимо выполнять по структуре, содержащей два мультиплексора, три RS-триггера, синхронный триггер D-типа, два двоичных счетчика импульсов, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, узел индикации и узел выделения команд управления, первый выход которого подключен к S-входу первого RS-триггера, R-вход которого соединен со вторым выходом узла выделения команд управления, третий выход которого подключен к S-входу второго RS-триггера, R-вход которого соединен с четвертым выходом узла выделения команд управления, вход которого является первым входом блока управления, первый выход которого является выходом первого мультиплексора, первый вход которого подключен к тактовому входу первого двоичного счетчика импульсов и третьему входу блока управления, второй выход которого соединен с выходом второго мультиплексора и адресным входом первого мультиплексора, второй вход которого является вторым входом блока управления и подключен к тактовому входу второго двоичного счетчика импульсов, выход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ и с R-входом третьего RS-триггера, S-вход которого объединен с выходом первого двоичного счетчика импульсов и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключен к информационному входу триггера D-типа, тактовый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход объединен с установочными входами обоих двоичных счетчиков импульсов, при этом инверсный выход первого RS-триггера подключен к первому входу второго мультиплексора, второй вход которого соединен с инверсным выходом третьего RS-триггера, причем адресный вход второго мультиплексора объединен с первым входом узла
индикации и инверсным выходом второго RS-триггера, прямой выход которого подключен ко второму входу узла индикации.
При необходимости такой вариант блока управления может изменять режим работы устройства и программным способом (оператором вручную), что обеспечивает его универсальность.
В такой структуре блока управления целесообразно, чтобы узел индикации содержал два усилителя тока и два светодиодных индикатора с разным цветом свечения, которые подключены соответственно к выходам усилителей тока, входы которых являются соответственно входами узла индикации. Такой узел индикации упрощает визуальный контроль состояния блока управления (программное или адаптивное).
Предпочтительно, чтобы в таком блоке управления узел выделения команд управления состоял из двоично-десятичного дешифратора и последовательно-параллельного регистра, вход которого является входом узла выделения команд управления, а выходы соединены соответственно со входами двоично-десятичного дешифратора, выходы которого являются выходами узла выделения команд управления. При такой структуре узла выделения команд управления упрощается алгоритм взаимодействия цифрового передатчика с блоком управления.
Для повышения скоростных возможностей устройства целесообразно оба оптрона выбирать диодными, поскольку они имеют самые малые времена переключения среди известных типов оптронов.
При малых амплитудах однополярных сигналов и с целью минимизации структуры транзисторных ключей предпочтительно оба оптрона выбирать транзисторными, поскольку они имеют высокие коэффициенты передачи тока и, следовательно, обладают более высокой чувствительностью ко входным сигналам.
Для повышения стабильности и надежности работы транзисторных ключей, целесообразно их выполнение по схеме усилителей на биполярных транзисторах с фиксированным током базы. При этом
необходимо, чтобы температурные, радиационные и временные изменения коэффициентов передачи тока оптронов и изменения проводимости элементов фиксации базовых токов транзисторов были близкими по величине и имели одинаковый знак, т.е. были однонаправленными. Это позволяет повысить стабильность порогов переключения транзисторных ключей при действии дестабилизирующих факторов а, следовательно, повысить и стабильность уровней регистрации принимаемых сигналов.
При использовании диодных оптронов, обеспечивающих эффективную работу фотоприемников в вентильном режиме, целесообразно транзисторные ключи выполнять на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом. При этом тип канала полевого транзистора определяется схемой подключения фотодиода оптрона к затвору полевого транзистора. Такой вариант реализации транзисторных ключей позволяет повысить чувствительность устройства ко входным сигналам при сохранении высоких скоростных возможностей устройства.
При высокой стабильности порогов переключения транзисторных ключей стабильность уровней регистрации принимаемых однополярных сигналов, амплитуды которых могут изменяться в широких пределах, будет зависеть от точности и стабильности распределения токов между параллельно включенными нелинейным двухполюсником и светодиодом первого оптрона. Для этого необходимо, чтобы вольт-амперные характеристики (ВАХ) нелинейного двухполюсника и светодиода первого оптрона имели минимальные различия, а изменения их ВАХ при действии дестабилизирующих факторов были максимально коррелированы. Это может быть достигнуто путем использования в качестве нелинейного двухполюсника различных элементов, имеющих нелинейные ВАХ: диоды, стабисторы, светодиоды, транзисторы в диодном включении.
Максимальная точность и стабильность токораспределения между нелинейным двухполюсником и светодиодом первого оптрона будет
достигнута, когда нелинейный двухполюсник и светодиод первого оптрона будут одновременно являться светодиодами многоканального оптрона.
Настройку устройства на заданный уровень регистрации входных сигналов предпочтительно осуществлять путем изменения величин первого и (или) второго резисторов, не затрагивая при этом собственного высокостабильного порога переключения первого транзисторного ключа.
В случае регистрации однополярных сигналов, у которых амплитуда бестоковой посылки не равна нулю и может изменяться (линия с токами утечки), третий резистор необходимо выполнять переменным, чтобы иметь возможность не реагировать на токи утечки физической линии.
Стабилитроны, которые в схеме устройства включены встречно и последовательно, могут быть конструктивно реализованы в виде симметричного (двуханодного) стабилитрона, что позволит обеспечить равные по абсолютной величине напряжения стабилизации (ограничения) на любой полярности входного сигнала.
Четвертый резистор в устройстве является балластным элементом параметрического стабилизатора, в состав которого входят и стабилитроны. Этот резистор ограничивает ток через стабилитроны в тех случаях, когда напряжение на входе устройства превысит напряжение пробоя одного из стабилитронов. При значительных входных напряжениях четвертый резистор и стабилитроны могут оказаться перегруженными по мощности и выйдут из строя. Поэтому, для увеличения надежности устройства в аварийных ситуациях в линии, целесообразно повышать отказоустойчивость элементов путем применения в качестве четвертого резистора самовосстанавливающегося резистивного предохранителя (элемент MultiFuse). Этот элемент обладает свойством резкого увеличения (за короткий промежуток времени) сопротивления на шесть-семь порядков от номинального (от единиц Ом до десятков миллионов Ом), если мощность на нем превысит предельно допустимую величину. После
устранения перегрузки сопротивление этого элемента возвращается к исходной (небольшой) величине.
Для исключения перегрузок по току светодиода второго оптрона при больших амплитудах однополярного сигнала прямой полярности, диод должен иметь электрический пробой при сравнительно малых обратных напряжениях (около 3 В). Пробой диодов при таких напряжениях является туннельным или зенеровским, поэтому такой диод называется диодом Зенера [Лачин В.И., Савелов Н.С. «Электроника». Учебное пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001 (стр.20-21, стр.41)].
Блок индикации в устройстве обеспечивает оперативное отображение информации о режиме, в котором находится устройство (однополюсный или двухполюсный) и может быть выполнен на основе минимизированной структуры: двух усилителей тока и двух светодиодных индикаторов с разным цветом свечения, которые подключены соответственно к выходам усилителей тока, входы которых являются соответственно входами блока индикации.
При организации многоканальных систем связи, содержащих значительное число оптронных устройств для приема дискретных сигналов, целесообразно цифровой приемник, блок индикации и цифровой передатчик включать в состав управляющей ПЭВМ, которая будет выполнять роль многофункционального терминала и обеспечивать взаимодействие через соответствующие приемо-передающие СОМ-порты с буферными формирователями сигналов. Такое взаимодействие ПЭВМ с оптронным устройством необходимо осуществлять, используя в качестве первого, второго и третьего буферных формирователей магистральные передатчики, а в качестве четвертого буферного формирователя сигналов - магистральный приемник, которые обеспечивают выполнение необходимых требований по высокоскоростной и достоверной передаче информации по протяженным линиям связи.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - структурно-функциональная электрическая схема устройства;
на фиг.2 - структурно-функциональная электрическая схема варианта исполнения блока управления (по п.4 формулы полезной модели).
Оптронное устройство для приема дискретных сигналов, показанное на фиг.1, содержит первый и второй оптроны 1 и 2 соответственно, входными цепями которых являются светодиоды, диодный мост 3, состоящий из диодов 3-1, 3-2, 3-3 и 3-4, первый выход моста 3 подключен к аноду светодиода первого оптрона 1, катод которого через первый резистор 4 соединен со вторым выходом моста 3 и первым выводом второго резистора 5, второй вывод которого соединен с катодом нелинейного двухполюсника 6, анод которого через третий резистор 7 подключен к катоду светодиода первого оптрона 1, выход которого соединен со входом первого транзисторного  ключа 8, выход которого подключен ко входу синхронизации синхронного триггера 9 D-типа, информационный вход которого соединен с выходом второго транзисторного ключа 10, вход которого подключен к выходу второго оптрона 2, анод светодиода которого объединен с первым входом моста 3 и катодом диода 11, анод которого подключен через четвертый резистор 12 к первой входной клемме 13, через пятый резистор 14 - к катоду светодиода второго оптрона 2, а через стабилитроны 15 и 16, соединенные встречно и последовательно - ко второму входу моста 3, первый, второй и третий буферные формирователи соответственно 17,18 и 19 сигналов, блок 20 индикации, цифровой приемник 21, вход которого подключен к выходу первого буферного формирователя 17 сигналов, выход второго буферного формирователя 18 сигналов соединен с первым входом блока 20 индикации, второй вход которого подключен к выходу третьего буферного
формирователя 19 сигналов, вторую входную клемму 22, шестой резистор 23, инвертор 24, первое и второе оптоэлектронные реле 25 и 26 соответственно, усилитель 27 тока, блок 28 управления, цифровой передатчик 29, четвертый буферный формирователь 30 сигналов, вход которого подключен к выходу цифрового передатчика 29, а выход соединен с первым входом 31 блока 28 управления, второй вход 32 которого подключен к выходу триггера 9 D-типа, вход синхронизации которого соединен с третьим входом 33 блока 28 управления, первый выход 34 которого подключен ко входу первого буферного формирователя 17 сигналов, а второй выход 35 блока 28 управления объединен со входами инвертора 24, второго буферного формирователя 18 сигналов и усилителя 27 тока, выход которого подключен ко входам оптоэлектронных реле 25 и 26, анод нелинейного двухполюсника 6 соединен с первым выходом первого оптоэлектронного реле 25, второй выход которого подключен к первому выходу моста 3, второй вход которого соединен с первым выходом второго оптоэлектронного реле 26, второй выход которого подключен ко второй входной клемме 22, выход инвертора 24 соединен со входом третьего буферного формирователя 19 сигналов, шестой резистор 23 включен между выходами второго оптоэлектронного реле 26. Шина питания устройства подключается к клемме 36.
Вариант исполнения блока 28 управления, обеспечивающий ручной (программный) выбор режима работы устройства (однополюсный или двухполюсный) с помощью цифрового передатчика 29 (фиг.1) содержит мультиплексор 37, RS-триггер 38 и дешифратор 39, вход которого является первым входом 31 блока 28 управления, а выходы дешифратора 39 соединены соответственно со входами RS-триггера 38, инверсный выход которого является вторым выходом 35 блока 28 управления и соединен с адресным входом мультиплексора 37, первый вход которого является третьим входом 33 блока 28 управления, первый
выход 34 которого является выходом мультиплексора 37, второй вход которого является вторым входом 32 блока 28 управления.
Дешифратор 39 в этом варианте блока управления может быть построен по схеме двоично-десятичного счетчика импульсов.
Другой вариант исполнения блока 28 управления, представленный на фиг.2 и обеспечивающий автоматический (адаптивный) или ручной (программный) выбор режима работы устройства (однополюсный или двухполюсный - прием соответственно однополярных или биполярных сигналов) содержит первый мультиплексор 40, второй мультиплексор 41, первый RS-триггер 42, второй RS-триггер 43, третий RS-триггер 44, синхронный триггер 45 D-типа, первый двоичный счетчик 46 импульсов, второй двоичный счетчик 47 импульсов, элемент ИЛИ 48, генератор 49 тактовых импульсов, узел 50 индикации и узел 51 выделения команд управления, первый выход которого подключен к S-входу триггера 42, R-вход которого соединен со вторым выходом узла 51, третий выход которого подключен к S-входу триггера 43, R-вход которого соединен с четвертым выход узла 51, вход которого является первым входом 31 блока 28 управления, первый выход 34 которого является выходом мультиплексора 40, первый вход которого подключен к тактовому входу счетчика 46 и третьему входу 33 блока 28 управления, второй выход 35 которого соединен с выходом мультиплексора 41 и адресным входом мультиплексора 40, второй вход которого является вторым входом 32 блока 28 управления и подключен к тактовому входу счетчика 47, выход которого объединен с первым входом элемента ИЛИ 48 и R-входом триггера 44, S-вход которого объединен с выходом счетчика 46 и вторым входом элемента ИЛИ 48, выход которого подключен к информационному входу триггера 45, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 49 тактовых импульсов, а выход объединен с установочными входами счетчиков 46 и 47, инверсный выход триггера 42 подключен к первому входу мультиплексора 41, второй вход которого соединен с инверсным
выходом триггера 44, адресный вход мультиплексора 41 объединен с первым входом узла 50 индикации и инверсным выходом триггера 43, прямой выход которого подключен ко второму входу узла 50 индикации.
В этом варианте исполнения блока 28 управления целесообразно выполнять узел 50 индикации на основе двух усилителей 52 и 53 тока и двух светодиодных индикаторов 54 и 55 с разным цветом свечения, которые подключены соответственно к выходам усилителей 52 и 53, входы которых являются соответственно входами узла 50 индикации. При этом включенное состояние светодиодного индикатора 54 индицирует состояние блока 28, при котором обеспечивается ручная (программная) установка режима работы устройства (однополюсный или двухполюсный), а включенное состояние светодиодного индикатора 55 индицирует состояние блока 28, при котором обеспечивается автоматическая (адаптивная) установка режима работы устройства для приема (однополюсный или двухполюсный).
Узел 51 выделения команд управления предпочтительно выполнять на основе двоично-десятичного дешифратора 56 и последовательно-параллельного регистра 57, вход которого является входом узла 51, а выходы соединены соответственно со входами двоично-десятичного дешифратора 56, выходы которого являются выходами узла 51.
В вариантах исполнения оптроны 1 и 2 могут быть диодными (как показано на фиг.1) или транзисторными.
Транзисторные ключи 8 и 10 могут быть выполнены по схеме усилителей на биполярных транзисторах 58 и 59 соответственно, с фиксацией токов баз с помощью элементов 60 и 61 фиксации соответственно, которые включаются между шиной 36 питания и базами соответствующих транзисторов 58 и 59.
Температурные, радиационные и временные изменения коэффициентов передачи токов оптронов 1 и 2 и изменения проводимости элементов 60 и 61 фиксации базовых токов транзисторов 58 и 59
соответственно, предпочтительно иметь близкими по величине и с одинаковыми знаками изменения.
Транзисторные ключи 8 и 10 могут быть выполнены на полевых транзисторах с изолированным затвором и индуцированным каналом. Это позволит обеспечить работу фотодиодов оптронов 1 и 2 в вентильном режиме (режим генерации фотоэдс), при этом может существенно возрасти чувствительность оптронов по входным цепям.
Следует иметь ввиду, что при использовании полевых транзисторов с индуцированным каналом n-типа, их затворы должны быть подключены к анодам фотодиодов оптронов, а при использовании полевых транзисторов с индуцированным каналом p-типа, их затворы должны быть подключены к катодам фотодиодов оптронов.
С целью обеспечения высокой точности и стабильности токораспределения между параллельно включенными нелинейным двухполюсником 6 и светодиодом оптрона 1 (в однополюсном режиме, когда контакты реле 25 замкнуты), необходимо чтобы их вольт-амперные характеристики имели минимальные различия, а температурные, радиационные и временные изменения их ВАХ были близки по величине и имели одинаковый знак. Одним из вариантов решения этой задачи может быть использование в качестве нелинейного двухполюсника 6 стабистора (как это показано на фиг.1), другим вариантом - использование дискретного светодиода.
Наиболее оптимальным решением этой задачи является использование в качестве нелинейного двухполюсника 6 и светодиода оптрона 1 светодиодных излучателей  многоканального оптрона, так как в этом случае перечисленные к ним требования выполняются идеально (ввиду идентичности ВАХ элементов, объединенных в единую конструкцию многоканального оптрона).
Изменение порога срабатывания транзисторного ключа 8 при приеме однополярных сигналов (с целью установки оптимального уровня
их регистрации) целесообразно проводить путем регулировки токораспределения между двухполюсником 6 и светодиодом оптрона 1, для чего необходимо резисторы 4 и (или) 5 выполнять переменными (это позволит изменять уровень регистрации однополярных сигналов, не изменяя исходный высокостабильный режим работы транзисторного ключа 8). Кроме того, как показано на фиг.1, выполнение резистора 7 переменным позволяет оптимально устанавливать уровни регистрации, когда амплитуда бестоковой посылки в однополярном сигнале не равна нулю.
Для обеспечения (в случае необходимости) симметричности ограничения входного напряжения при любой полярности входного сигнала в качестве стабилитронов 15 и 16 может использоваться один двуханодный (симметричный) стабилитрон.
С целью повышения отказоустойчивости и живучести устройства в условиях воздействия сильных токовых перегрузок по входу (например, от наведенной в линии связи эдс, обусловленной электромагнитными излучениями, в том числе и грозовыми разрядами) в ряде случаев предпочтительно в качестве резистора 12 использовать самовосстанавливающийся резистивный предохранитель (элемент MultiFuse).
В качестве диода 11 целесообразно использовать диод Зенера.
Одним из простых вариантов реализации блока 20 индикации может быть блок, содержащий усилители 62 и 63 тока, входы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока 20, а выходы усилителей 62 и 63 соединены соответственно со светодиодными индикаторами 64 и 65, которые могут иметь различные цвета свечения.
При этом включенное состояние светодиодного индикатора 64 индицирует двухполюсный режим работы устройства, а включенное состояние светодиодного индикатора 65 индицирует однополюсный режим работы устройства.
При использовании оптронного устройства для приема дискретных сигналов в системах многоканальной передачи информации цифровой приемник 21, блок 20 индикации и цифровой передатчик 29 целесообразно включать в состав ПЭВМ 66, монитор которой является блоком 20 индикации, входы приемных СОМ-портов ПЭВМ являются соответственно входами монитора и цифрового приемника 21, а выход передающего СОМ-порта ПЭВМ 66 является выходом цифрового передатчика 29.
При использовании ПЭВМ 66 в качестве удаленного терминала (удаление ПЭВМ от аппаратных средств связи может быть от сотен метров до километров) в качестве буферных формирователей 17, 18 и 19 целесообразно использовать магистральные передатчики, обеспечивающие формирование и высокоскоростную передачу электрических сигналов взаимодействия на входы приемных СОМ-портов по симметричным и несимметричным цепям стыков (витые пары или коаксиальные кабели); при этом буферный формирователь 30 целесообразно выполнять по схеме магистрального приемника, обеспечивающего регистрацию электрических сигналов взаимодействия, передаваемых с выхода передающего СОМ-порта ПЭВМ 66 по симметричным и несимметричным цепям стыков (при удалении до сотен метров магистральные передатчики 17, 18, 19 и магистральный приемник 30 могут быть построены на основе элементов несимметричного стыка RS-232, при удалениях до нескольких километров - на основе элементов симметричных стыков RS-422 или RS-485).
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Если до начала приема дискретных сигналов всегда известен их вид (однополярные или биполярные), то блок 28 управления может быть выполнен по структуре, изображенной на фигуре 1, а оптимальные условия для приема сигналов могут быть заданы программным способом, путем формирования с передатчика 29 соответствующей кодовой
комбинации и подачи ее через формирователь 30 на вход 31 блока 28 управления.
При подготовке устройства для приема однополярных сигналов, с передатчика 29 формируется кодовая комбинация, которая после дешифрации дешифратором 39 устанавливает триггер 38 в состояние, при котором на его выходе оказывается низкий уровень напряжения, соответствующий логическому нулю (лог.0), который поступает на адресный вход мультиплексора 37 и включает в нем канал Х1-Х. Лог.0 с выхода 35 блока 28 управления, через инвертор 24, формирователь 19 и усилитель 63 включает индикатор 65, свечение которого индицирует однополюсный режим работы устройства. При этом лог.0 через усилитель 27 включает ток во входных цепях оптоэлектронных реле 25 и 26, что приводит к коммутации их выходов, в результате чего резистор 23 оказывается шунтированным, а входная цепь оптрона 1 (светодиод) оказывается подключенной параллельно нелинейному двухполюснику 6.
Поступление на входные клеммы 22 и 13 устройства однополярных сигналов (токовые и бестоковые посылки), вне зависимости от их полярности, вызывает переключение транзисторного ключа 8, выходные сигналы которого через включенный канал Х1-Х мультиплексора 37 и формирователь 17 поступают в цифровой приемник 21 ив нем регистрируются. При этом токовой посылке на входе устройства соответствует логическая единица (лог.1) на входе приемника 21. Возможные в это время изменения состояния триггера 9 не смогут сказаться на работе цифрового приемника 21, так как в этом режиме канал Х2-Х мультиплексора 37 оказывается выключенным.
Шунтирование резистора 23 выходами оптоэлектронного реле 26 устанавливает заданную (соответствующими стандартами) величину входного сопротивления устройства, а параллельное включение с помощью оптоэлектронного реле 25 цепей, содержащих нелинейный двухполюсник 6 и светодиод оптрона 1, устанавливает в устройстве
необходимый порог переключения транзисторного ключа 8, соответствующий заданному уровню регистрации однополярных сигналов (как правило, равный половине амплитуды токовой посылки), который может регулироваться резисторами 4, 5 и 7.
При подготовке устройства для приема биполярных сигналов, с передатчика 29 формируется кодовая комбинация, которая после дешифрации дешифратором 39 устанавливает триггер 38 в состояние, при котором на его выходе оказывается лог.1, которая поступая на адресный вход мультиплексора 37 включает в нем канал Х2-Х (канал Х1-Х выключается). Лог.1 с выхода 35 блока 28 управления через формирователь 18 и усилитель 62 включает индикатор 64, свечение которого индицирует двухполюсный режим работы устройства. При этом лог.1 через усилитель 27 выключает ток во входных цепях оптоэлектронных реле 25 и 26, что приводит к размыканию их выходов, в результате чего исключается шунтирование резистора 23, а нелинейный двухполюсник 6 отключается от входной цепи оптрона 1.
Поступление на входные клеммы 22 и 13 устройства биполярных сигналов (токовые посылки чередующихся полярностей) вызывает поочередное переключение транзисторных ключей 8 и 10, в результате чего триггер 9 будет переключаться при начале смен полярностей входных сигналов, а его выходные сигналы через включенный канал Х2-Х мультиплексора 37 и формирователь 17 будут поступать в цифровой приемник 21 и регистрироваться в нем. При этом (в соответствии со стандартами) посылке положительной полярности на входе устройства (плюс на клемме 22) будет соответствовать лог.1 на входе приемника 21, а посылке отрицательной полярности (минус на клемме 22) будет соответствовать лог.0 на входе преемника 21. Возможные в это время несинхронные переключения транзисторного ключа 8 не смогут сказаться на работе приемника 21, так как в этом режиме канал Х1-Х мультиплексора 37 выключен.
Исключение шунтирования резистора 23 в этом режиме увеличивает входное сопротивление устройства до значений, оптимальных для приема биполярных сигналов и соответствующих требованиям стандартов (например, 1 кOм ±10% по ГОСТ Р 51026-97). Отключение с помощью оптоэлектронного реле 25 нелинейного двухполюсника 6 от светодиода оптрона 1 в этом режиме повышает чувствительность устройства до значений, оптимальных для приема биполярных сигналов (единицы миллиампер по ГОСТ Р 51026-97).
Если перед началом работы устройства вид принимаемых дискретных сигналов (однополярные или биполярные) неизвестен или может изменяться в процессе приема по случайному закону, то для исключения потери информации и для создания оптимальных условий для приема сигналов в этом случае блок 28 управления должен выполняться по структуре, изображенной на фиг.2, обеспечивающей ему адаптивные функции, которые позволяют устройству осуществлять автоматический выбор оптимальных условий для приема дискретных сигналов любого вида.
Фактически блок 28 управления, представленный на фиг.2, обладает универсальными свойствами и при необходимости может быть переведен в состояние, при котором он обеспечивает установку режима работы устройства и программным способом (как это было рассмотрено ранее).
Адаптивная или программная функция блока 28 управления (фиг.2) устанавливается путем формирования на входе 31 соответствующих кодовых комбинаций передатчиком 29 (фиг.1).
При установке адаптивной функции блока 28 управления (фиг.2), с передатчика 29 (фиг.1) формируется специальная кодовая комбинация, которая, проходя через буферный формирователь 30, поступает на вход 31 блока 28 и далее на вход узла 51 (фиг.2) выделения команд управления. После заполнения последовательно-параллельного регистра 57 и
дешифрации состояния регистра 57 двоично-десятичным дешифратором 56, на четвертом выходе узла 51 появляется импульс лог.1, который поступает на R-вход триггера 43 и переводит его в состояние, при котором на его инверсном выходе устанавливается лог.1, которая через усилитель 53 включает индикатор 55, включенное состояние которого индицирует (подтверждает) установку блока 28 управления в состояние, при котором он обеспечивает адаптивный режим работы устройства.
Лог.1 с инверсного выхода триггера 43 поступает и на адресный вход мультиплексора 41 и включает в нем канал Х2-Х, поэтому выходной сигнал мультиплексора 41 будет определяться только состоянием триггера 44.
Особенностью работы схемы устройства (фиг.1) является следующий факт. Если на входные клеммы 22 и 13 устройства поступают только однополярные сигналы (любой полярности), то они вызывают переключения ключа 8 каждый раз при переходе от бестоковой посылки к токовой и обратно, триггер 9 при этом (если нет помех в линии) может переключиться только один раз.
Если на входные клеммы 22 и 13 поступают только биполярные сигналы, то они вызывают переключения ключа 8 как на посылке положительной полярности, так и на посылке отрицательной полярности, триггер 9 при этом переключается только при смене полярности посылок, то есть с частотой в два раза ниже, чем ключ 8.
Учитывая тот факт, что сигналы с выхода ключа 8 поступают на тактовый вход счетчика 46 импульсов, а сигналы с выхода триггера 9 на тактовый вход счетчика 47 импульсов, а также то, что частота переключения ключа 8 при приеме однополярных сигналов не более чем в два раза выше частоты переключения триггера 9, первым заполнится тот счетчик, емкость которого меньше другого более чем в два раза.
Если емкость счетчика 46 выбрать больше емкости счетчика 47 более чем в два раза, то при приеме биполярных сигналов первым
заполнится счетчик 47 и на его выходе появится импульс лог.1, который установит триггер 44 в состояние, при котором лог.1 с его инверсного выхода через включенный канал Х2-Х мультиплексора 41 поступит на адресный вход мультиплексора 40 и включит в нем канал Х2-Х. Это обеспечит прохождение сигналов в приемник 21 с выхода триггера 9, который переключается только при поступлении на вход устройства биполярных сигналов. Лог.1 на выходе мультиплексора 41 (а значит и на выходе 35) (фиг.2), включит через формирователь 18 и усилитель 62 индикатор 64 (фиг.1), свечение которого указывает на то, что устройство установилось в двухполюсный режим. Одновременно лог.1 с выхода 35 через усилитель 27 разомкнет выходы оптоэлектронных реле 25 и 26, тем самым обеспечив оптимальные условия для приема биполярных сигналов (по входному сопротивлению и уровню регистрации).
Лог.1, появившаяся на выходе счетчика 47 (фиг.2), через первый вход элемента ИЛИ 48 поступит на D-вход триггера 45, на тактовый вход которого поступают высокочастотные импульсы с выхода генератора 49, поэтому на выходе триггера 45 появится импульс лог.1 короткой длительности (равный периоду импульсов генератора 49), который по R-входам осуществит сброс счетчиков 46 и 47 в начальное состояние. При постоянном приеме биполярных сигналов описанные выше процессы будут повторяться.
Если на вход устройства (клеммы 22 и 13, фиг.1) станут поступать однополярные сигналы, то ключ 8 будет переключаться с частотой их поступления, а триггер 9 переключаться не будет (его редкие переключения возможны при наличии биполярных помех), в результате чего в основном начнется заполнение счетчика 46 (фиг.2), поэтому после его заполнения на его выходе появится импульс лог.1, который установит триггер 44 в состояние, при котором лог.0 с его инверсного выхода через включенный канал Х2-Х мультиплексора 41 поступит на адресный вход мультиплексора 40 и включит в нем канал Х1-Х. Это обеспечит
прохождение сигналов в приемник 21 с выхода ключа 8, который переключается при чередовании токовых и бестоковых посылок однополярного сигнала.
Лог.0 на выходе мультиплексора 41 (а значит и на выходе 35) (фиг.2) включит через инвертор 24, формирователь 19 и усилитель 63 индикатор 65 (фиг.1), свечение которого указывает на то, что устройство установилось в однополюсный режим. Одновременно лог.0 с выхода 35 через усилитель 27 замкнет выходы оптоэлектронных реле 25 и 26, тем самым обеспечив оптимальные условия для приема однополярных сигналов (по входному сопротивлению и уровню регистрации).
Лог.1, появившаяся на выходе счетчика 46 (фиг.2) через второй вход элемента ИЛИ 48 поступит на D-вход триггера 45 и по описанному выше принципу осуществит сброс счетчиков 46 и 47 в начальное состояние.
При постоянном приеме однополярных сигналов описанные выше процессы будут повторяться.
При необходимости установки программной функции блока 28 управления (фиг.2), с передатчика 29 (фиг.1) формируется специальная кодовая комбинация, которая, проходя через буферный формирователь 30, поступает на вход 31 блока 28 и далее на вход узла 51 (фиг.2) выделения команд управления. После заполнения регистра 57 и дешифрации его состояния дешифратором 56, на третьем выходе узла 51 появляется импульс лог.1, который поступает на S-вход триггера 43 и переводит его в состояние, при котором на его инверсном выходе - лог.0, а на прямом выходе - лог.1, которая через усилитель 52 включает индикатор 54, включенное состояние которого индицирует (подтверждает) перевод блока 28 управления в состояние, при котором он обеспечивает установку режима работы устройства программным (ручным) способом.
Лог.0 с инверсного выхода триггера 43 поступает на адресный вход мультиплексора 41 и включает в нем канал Х1-Х, поэтому выходной
сигнал мультиплексора 41 теперь будет определяться только состоянием триггера 42.
При подготовке устройства для приема однополярных сигналов с передатчика 29 формируется кодовая комбинация, которая пройдя узел 51 выделения команд устанавливает триггер 42 в состояние, при котором с его инверсного выхода поступает лог.0 через канал Х1-Х мультиплексора 41 на выход 35 и на адресный вход мультиплексора 40 и включает в нем канал Х1-Х. В дальнейшем функция мультиплексора 40 (фиг.2) аналогична функции мультиплексора 37 (фиг.1) при приеме однополярных сигналов.
При подготовке устройства для приема биполярных сигналов с передатчика 29 формируется кодовая комбинация, которая устанавливает триггер 42 в состояние, при котором на его инверсном выходе - лог.1, которая через канал Х1-Х мультиплексора 41 поступает на выход 35 и на адресный вход мультиплексора 40 и включает в нем канал Х2-Х. В дальнейшем функция мультиплексора 40 (фиг.2) аналогична функции мультиплексора 37 (фиг.1) при приеме биполярных сигналов.
Наличие на выходе 35 уровней лог.0 (для однополюсного режима) и лог.1 (для двухполюсного режима) приводит по описанному выше принципу к включению индикатора 65 или индикатора 64 соответственно, индицирующих режимы работы устройства. При этом изменяются состояния выходов оптоэлектронных реле 25 и 26, обеспечивающих оптимальные условия для приема соответствующего вида сигнала (по входному сопротивлению и уровню регистрации сигналов).
Как следует из описания работы устройства, предложено универсальное техническое решение, которое может работать в автоматическом режиме выбора оптимальных условий для приема однополярных или биполярных сигналов, при этом имеется возможность и программного (ручного) управления режимами работы устройства. В любом режиме работы устройства обеспечивается высокая точность регистрации одно - и биполярных дискретных сигналов при действии
дестабилизирующих факторов, а также высокая надежность устройства при аварийных ситуациях в линии связи.
Возможность использования в предложенном устройстве ПЭВМ 66, в состав которой включаются цифровой приемник 21, цифровой передатчик 29 и блок 20 индикации (монитор) позволила создать и испытать опытный образец автоматизированного рабочего места (АРМ) оператора на 32 дискретных канала связи (опытный образец содержит одну ПЭВМ и 32 оптронных устройств для приема дискретных сигналов).
Испытания опытного образца АРМ в жестких условиях эксплуатации (широкий температурный диапазон и большие напряженности электромагнитных полей) полностью подтвердили достижение поставленных целей.
Структура оптронного устройства создает предпосылки для комплексной миниатюризации цифровой аппаратуры связи, так как предложенное устройство может быть выполнено в виде гибридной интегральной микросхемы по бескорпусной технологии с применением исключительно отечественной элементной базы.
Следует отметить, что расширение функциональных возможностей устройства за счет достижения качественно новых свойств (адаптивный и программный выбор оптимальных условий приема дискретных сигналов) позволяет использовать его с высокой эффективностью как универсальное устройство в многоканальных автоматизированных системах передачи дискретной информации.