БЛОК ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к устройствам формирования импульсов, в частности для гарантированного запуска в определенный момент времени устройств при проведении физических экспериментов.
Известно устройство (патент RU №2328819 приоритет от 13.06.2006 «Генератор задержанных импульсов» авторов Ломтева В.М., Абрамовой Ю.Г., МПК: H03K 3/64, опубл. 10.07.2008 Бюл. №19), содержащее блок питания, соединенный с блоком управления, включающим панель управления, тактовый генератор, по крайней мере, один канал входных импульсов, управляющий микроконтроллер, соединенный двухсторонней связью с панелью управления, многоканальное устройство задержки с заданным количеством каналов выходных импульсов. Блок управления соединен с каждой линией задержки, по крайней мере, одной шиной данных и линиями связи, одни из которых предназначены для передачи сигналов с тактовыми частотами, а другие предназначены для передачи сигналов запуска. Генератор задержанных импульсов содержит несколько каналов входных импульсов. Входные и выходные каналы импульсов выполнены в виде оптических преобразователей сигналов. Блок управления дополнительно содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС БУ), предназначенную для буферизации тактового сигнала с начальной тактовой частотой, преобразования тактового сигнала в синхронизирующие импульсы с преобразованной тактовой частотой, мультиплексирования входных сигналов и формирования сигналов запуска на модули устройства задержки, тактовый вход которой соединен с выходом тактового генератора, первая группа выводов ПЛИС БУ соединена с первой группой выводов управляющего микроконтроллера, входные каналы блока управления соединены со второй группой выводов ПЛИС БУ, каждый модуль устройства задержки дополнительно содержит вспомогательный микроконтроллер, таймер и программируемую логическую интегральную схему модуля задержки (ПЛИС МЗ), предназначенную для формирования заданных интервалов задержки совместно с таймером модуля устройства задержки. Первая группа выводов вспомогательного микроконтроллера каждого модуля задержки соединена посредством первой шины данных со второй группой выводов управляющего микроконтроллера, вторая группа выводов вспомогательного микроконтроллера соединена второй шиной данных с первой группой выводов таймера и первой группой выводов ПЛИС МЗ, вторая группа выводов таймера соединена с четвертой группой выводов ПЛИС МЗ двухсторонней четвертой линией связи, предназначенной для передачи сигналов управления, третья группа выводов ПЛИС БУ соединена первой линией связи, передающей сигналы с начальной тактовой частотой на синхронизирующий вход ПЛИС МЗ каждого модуля задержки, четвертая группа выводов ПЛИС БУ соединена второй линией связи, передающей сигналы с преобразованной тактовой частотой с синхронизирующими входами таймера и вспомогательного микроконтроллера каждого модуля задержки. Пятая группа выводов ПЛИС БУ соединена третьей линией связи, передающей сигналы запуска, со второй группой выводов ПЛИС МЗ каждого модуля задержки. Каждый вывод из третьей группы выводов ПЛИС МЗ через буферный усилитель соединен с соответствующим выходным каналом каждого модуля задержки.
Недостатком данного устройства является использование в схеме нескольких микроконтроллеров. применение которых повышает возможность сбоев в работе прибора из-за появления ошибок при считывании данных из памяти или при зависании микроконтроллера. Кроме того, применение микроконтроллеров и программируемых таймеров приводит к снижению скорости работы, а увеличение числа микросхем ПЛИС приводит к общему снижению надежности. Наличие оптической развязки на входах и выходах прибора требует соответствующего оборудования и прокладки оптоволоконных каналов связи, что не всегда возможно. Помимо этого, данный генератор не обеспечивает возможности измерения разновременности поступающих импульсов.
Технические результаты, на достижение которых направлена заявляемая полезная модель, заключаются в упрощении конструкции, упрощении алгоритма работы, повышении надежности прибора, точности установки временных задержек и в обеспечении возможности измерения разновременности поступающих импульсов.
Данные технические результаты достигаются тем, что в блоке формирования импульсов, содержащем блок питания, каналы входных и выходных импульсов, блок управления, устройство задержки, панель управления и тактовый генератор, входы и выходы каналов входных и выходных импульсов являются соответственно входами и выходами блока формирования импульсов, новым является то, что дополнительно введен блок индикации, блок управления и устройство задержки объединены в один блок, который реализован на программируемой логической интегральной схеме и включает в себя первый, второй, третий, четвертый и пятый формирователи длительности, счетчик, первую и вторую схемы сравнения, преобразователь в семисегментный код, формирователь временных интервалов, блок выбора режима работы, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого, второго и третьего формирователей длительности, четвертый, пятый и шестой выходы блока выбора режима работы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами счетчика, первый и второй выходы которого шинами данных соединены соответственно с первыми входами первой и второй схем сравнения, третий и четвертый выходы счетчика соединены шинами данных соответственно с входами преобразователя в семисегментный код, выход первой схемы сравнения соединен с первым входом блока выбора режима работы и первым входом четвертого формирователя длительности, выход второй схемы сравнения соединен с первым входом пятого формирователя длительности, второй вход каждого формирователя длительности соединен с первым выходом формирователя временных интервалов, второй выход которого соединен со вторым входом блока выбора режима работы, а вход -с первым выходом тактового генератора, второй выход которого соединен с четвертым входом счетчика, выход каждого формирователя длительности соединен с входом соответствующего канала выходных импульсов, вторые входы первой и второй схем сравнения соединены шинами данных соответственно с первым и вторым выходами панели управления, третий и четвертый выходы которой соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока выбора режима работы, каждый пятый вход которого соединен с выходом соответствующего канала входных импульсов, выходы преобразователя в семисегментный код соединены соответственно шинами данных с входами первого и второго блока индикации, блок питания соединен с соответствующими выводами питания программируемой логической интегральной схемы, тактового генератора и каналов входных и выходных импульсов, при этом каналы входных импульсов выполнены в виде ограничителей входных импульсов, а каналы выходных импульсов - в виде формирователей амплитуды.
Объединение блока управления и устройства задержки в один блок и реализация его на одной ПЛИС с высокой степенью интеграции позволяет выполнить всю схему внутри одного кристалла, что значительно упрощает схему прибора, повышает его помехозащищенность. Отказ от использования микроконтроллеров позволяет повысить быстродействие прибора и его надежность за счет того, что ПЛИС не требуется загрузки программы из ПЗУ и не возникнет ошибок, связанных с возможными ошибками при считывании этих программ. Отсутствие в составе блока программируемых таймеров позволяет уменьшить шаг дискретизации устанавливаемых временных интервалов. Так как для формирования временных задержек используется счетчик, производящий пересчет тактовых импульсов, то появилась возможность без каких-либо усложнений схемы проводить дополнительные измерения разновременностей поступающих сигналов.
Так же предусмотрена возможность проверки работоспособности, как самого прибора, так и последующих измерительных цепей с помощью дополнительного генератора тестовых импульсов, выход которого предназначен для подключения к входам каналов входных импульсов.
На фигуре представлена функциональная блок-схема варианта реализации блока формирования импульсов.
Блок формирования импульсов содержит каналы входных импульсов 1, 2, 3, 4, ПЛИС 5, блок 6 индикации, панель 7 управления, блок 8 питания, тактовый генератор 9, каналы выходных импульсов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, генератор 18 тестовых импульсов.
ПЛИС 5 содержит счетчик 19, преобразователь 20 в семисегментный код, первую 21 и вторую 22 схемы сравнения, блок 23 выбора режима работы 23, формирователь 24 временных интервалов, первый 25, второй 26, третий 27, четвертый 28 и пятый 29 формирователи длительности.
Входы и выходы каналов входных 1, 2, 3, 4 и выходных 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 импульсов являются соответственно входами и выходами блока формирования импульсов. Первый, второй и третий выходы блока 23 выбора режима работы соединены соответственно с первыми входами первого 25, второго 26 и третьего 27 формирователей длительности. Четвертый, пятый и шестой выходы блока 23 выбора режима работы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами счетчика 19. Первый и второй выходы счетчика 19 шинами данных соединены соответственно с первыми входами первой 21 и второй 22 схем сравнения. Третий и четвертый выходы счетчика 19 соединены шинами данных соответственно с первым и вторым входами преобразователя 20 в семисегментный код. Выход первой схемы 21 сравнения соединен с первым входом блока 23 выбора режима работы и первым входом четвертого формирователя 28 длительности. Выход второй схемы 22 сравнения соединен с первым входом пятого формирователя 29 длительности. Второй вход каждого формирователя длительности 25, 26, 27, 28, 29 соединен с первым выходом формирователя 24 временных интервалов, второй выход которого соединен со вторым входом блока 23 выбора режима работы, а вход - с выходом тактового генератора 9 и четвертым входом счетчика 19. Выход каждого формирователя длительности 25, 26, 27, 28, 29 соединен с входом соответствующего канала выходных импульсов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. Вторые входы первой 21 и второй 22 схем сравнения соединены шинами данных соответственно с первым и вторым выходами панели 7 управления, третий и четвертый выходы которой соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока 23 выбора режима работы. Каждый пятый вход блока 23 выбора режима работы соединен с выходом соответствующего канала входных импульсов 1, 2, 3, 4. Первый и второй выходы преобразователя 20 в семисегментный код соединены соответственно шинами данных с первым и вторым входами блока 6 индикации. Блок 8 питания соединен с соответствующими выводами питания ПЛИС 5, тактового генератора 9 и каналов входных 1, 2, 3 и выходных 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 импульсов.
Каналы входных импульсов 1, 2, 3, выполнены в виде ограничителей входных импульсов, а канал 4 входных импульсов выполнен в виде ограничителя управляющих сигналов.
Каналы выходных импульсов 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 выполнены в виде формирователей амплитуды.
Ограничители входных сигналов 1, 2, 3 предназначены для ограничения амплитуд входных сигналов, защиты основной схемы от высоковольтных помех, обеспечения гальванической развязки входов с внутренней схемой блока, фильтрации помех путем формирования порога запуска. Ограничители 1, 2 и 3 могут быть выполнены на делителе-ограничителе напряжения, варисторе, компараторе с порогом срабатывания и цифровом изоляторе AduM1100 и работают следующим образом. Сигнал подается на делитель-ограничитель напряжения, в нижнем плече которого параллельно резистору установлен варистор, который благодаря малому времени включения позволяет ограничивать высокочастотные высоковольтные наводки. Ограниченный сигнал подается на компаратор с порогом срабатывания, позволяющим схеме не реагировать на шумы и помехи, поступающие на ее вход. Обработанный сигнал с компаратора подается на высокоскоростной цифровой изолятор AduM1100. Данный цифровой изолятор гарантирует высокую точность передачи сигналов и обеспечивает электрическую прочность изоляции 2500 Вольт переменного тока.
Ограничитель 4 входных сигналов преобразует поступающее постоянное напряжение управления блоком до уровня 3,3 B и может быть реализован с помощью стабилитрона.
Блок 23 выбора режима работы предназначен для реализации режима работы блока формирования импульсов в зависимости от кодов управления, поступающих с панели 7 управления, блокировки и разблокировки входов схемы для повышения ее помехоустойчивости, индикации прохождения сигналов и блокировки входов, выбора измеряемых временных интервалов. Блок 23 выбора режима работы может быть реализован с помощью базовых логических элементов, двух D-триггеров и мультиплексора.
Счетчик 19 предназначен для измерения временных интервалов путем пересчета поступающих на его вход тактовых импульсов опорной частоты. Он производит измерение заданных блоком 23 выбора режимов работы временных интервалов и формирует задержанные сигналы с требуемым временем задержки, установленным на панели 7 управления. Счетчик 19 может быть реализован с помощью двоично-десятичных счетчиков, собранных по схеме с параллельным переносом и D-триггерах для фиксации измеряемых промежутков времени.
Для задания режима работы и значений временных задержек выходных сигналов предназначена панель 7 управления. Установка временных задержек может производится с помощью двоично-десятичных переключателей, позволяющих наглядно и легко производить необходимые изменения временных величин.
Преобразователь 20 в семисегментный код служит для преобразования двоично-десятичного кода с выхода счетчика 19 в код семисегментных индикаторов и может быть выполнен на элементарных логических элементах по стандартной схеме.
Блок 6 индикации предназначен для наглядного отображения измеренных временных интервалов и выполнен на семисегментных светодиодных индикаторах.
Схемы 21, 22 сравнения производят сравнение двоично-десятичных чисел, поступающих со счетчика 19 со значениями, установленными на панели 7 управления и выдачу импульса при их равенстве. Она может быть реализована на двадцатиразрядном компараторе, выдающем импульс равенства на D-триггеры.
Тактовый генератор 9 предназначен для формирования опорной частоты с высокой точностью для последующего формирования необходимых временных интервалов. Он реализуется с помощью микросхемы кварцевого генератора CFPS-73 100 МГц.
Формирователь 24 временных интервалов предназначен для преобразования опорной частоты тактового генератора 9 в требуемые временные интервалы для формирования длительностей выходных импульсов, временных задержек блокировки входов, частотного режима работ блока и реализуется на основе двоичных и двоично-десятичных счетчиков, формирующих временные интервалы в 500 нс, 1 мкс, 20 мкс и 1 секунду.
Формирователи 25, 26, 27, 28, 29 длительности предназначены для выдачи сигналов требуемой длительности. Они реализуются с помощью двоично-десятичных счетчиков и формируют на выходе импульсы с требуемой длительностью в зависимости от выхода.
Формирователи амплитуды 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 предназначены для формирования амплитуды выходного сигнала, согласования выходного сопротивления блока формирования импульсов с волновым сопротивлением кабельных линий, развязки по постоянному току выхода блока и его нагрузок и формирования на одном из выходов сигнала с постоянной составляющей 110 Вольт. Формирователи амплитуды 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 могут быть реализованы с помощью микросхем драйверов МОП транзисторов, управляющих мощными полевыми транзисторами, нагрузкой которых являются импульсные трансформаторы. Для уменьшения передних фронтов импульсов импульсные трансформаторы имеют коэффициент трансформации 1:1, а намотка первичной и вторичной обмоток производится одновременно.
Генератор 18 тестовых импульсов предназначен для проверки, как самого блока формирования импульсов, так и трактов измерительной аппаратуры. Он формирует последовательность максимум из трех импульсов с регулируемой разновременностью с шагом 100 нс. Генератор 18 тестовых импульсов может быть реализован аналогично блоку формирования импульсов и включать ПЛИС.
Блок формирования импульсов работает следующим образом.
С помощью логических уровней сигналов "Тип" и "Режим", подаваемых с панели 7 управления на блок 23 выбора режима работы происходит выбор одного из следующих режимов работы:
- периодический
- однократный одиночный
- однократный последовательный
- тестовый.
В периодическом режиме входы ограничителей входных импульсов 3 и 4 не задействуются и измерение разновременности сигналов, поступивших на входы ограничителей 3 и 1, не производится. Блок формирования импульсов сразу переходит в рабочий режим. Первый сигнал, поступивший на вход ограничителя 1, передается через блок 23 выбора режима работы на формирователи длительности 25 и 26 и далее на формирователи амплитуды 10, 11, 12, 13, 14, причем формирователь 13 амплитуды формирует сигнал с постоянной составляющей 110 В. Все остальные сигналы, поступающие на вход ограничителя 1 импульсов, поступают только на формирователь 26 длительности и далее на формирователь 14 амплитуды. Сигналы, поступающие на ограничитель 2, через блок 23 выбора режима работы поступают на формирователи длительности 26, 27 и далее на формирователи амплитуды 14 и 15. С приходом первого сигнала на вход ограничителя 1 блок 23 выбора режима работы разрешает счетчику 19 производить пересчет тактовых импульсов, поступающих с тактового генератора 9. Результаты пересчета поступают на входы схем сравнения 21 и 22. Схемы сравнения 21 и 22 производят сравнение результатов пересчета со значениями, установленными на панели 7 управления. Эти значения регулируется дискретно с шагом 10 нс от 0 до 200 мкс. Как только сравниваемые числа становятся равными, на выходе схем сравнения 21 и 22 формируется одиночный импульс, который передается на формирователи длительности 28 и 29 соответственно. С выходов формирователей длительности 28 и 29 сформированные импульсы передаются на входы формирователей амплитуды 16 и 17. Кроме того, импульс равенства со схемы сравнения 21 возвращается в блок 23 выбора режима работы для формирования импульса "НК” которым станет первый пришедший после этого на ограничитель 1 импульс. Этот импульс разрешит передачу полученного на счетчике 19 значения в преобразователь 20 в семисегментный код и блок 6 индикации. Индикация измеренного интервала сохраняется до прихода следующей серии импульсов. При поступлении импульса "НК" через 2±1 мкс произойдет блокировка входа ограничителя 1 с помощью формирователя 24 временных интервалов. Если импульс "НК" не поступит на вход ограничителя 1, то блокировка входа произойдет через 2±1 мкс после поступления импульса на вход ограничителя 2. Блокировка входа ограничителя 2 произойдет через 20±10 мкс после блокировки входа ограничителя 1. Сброс блокировок будет произведен формирователем 24 временных интервалов через 800 мс и блок формирования импульсов будет снова готов к работе.
В однократном одиночном режиме не задействованным остается ограничитель 3. Работа блока формирования импульсов разрешается только при наличии уровня постоянного напряжения на входе ограничителя 4, алгоритм работы аналогичен периодическому режиму, но формируется только одна последовательность импульсов, а автоматического сброса блокировок не происходит. Сброс возможен либо нажатием кнопки "Сброс", установленной на панели управления (на фиг. не показано), либо отключением питания.
В однократном последовательном режиме, при подаче уровня постоянного напряжения на вход ограничителя 4, блок формирования импульсов переходит в режим ожидания импульса на входе ограничителя 3, входы ограничителей 1 и 2 при этом заблокированы. При поступлении импульса на вход ограничителя 3 включается счетчик 19, результат счета которого будет передан в преобразователь 20 в семисегментный код и блок 6 индикации при поступлении первого импульса на вход ограничителя 1 после снятия блокировки входа. Через 250 мкс произойдет разблокировка входов, и алгоритм работы блока будет аналогичен алгоритму работы в однократном одиночном режиме.
В тестовом режиме для проверки работоспособности блока формирования импульсов, управляющие сигналы на входы ограничителей 1, 2, 3 подаются с выхода генератора 18 тестовых импульсов.