Оптоэлектронный селектор минимальных двоичных чисел
OPTOELECTRONIC MINIMUM BINARY NUMBER SELECTOR

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при анализе двоичных чисел.
Известно устройство, позволяющее из совокупности аналоговых сигналов выбирать наименьший [Никулин Ю.Я., Огреб С.М., Соколов С.В., Смирнов Ю.А. Селектор минимального сигнала / А.с. № 1223259, СССР, 1986 г.] и содержащее дифференциальные оптроны, преобразователь входного напряжения в ток, операционный усилитель, оптические волокна, источник постоянного напряжения, резистор. Недостатком данного устройства является возможность селекции только аналоговых сигналов.
Известно также устройство, позволяющее определять оптический сигнал с максимальной амплитудой в последовательности оптических импульсов [Соколов С.В., Ганеев М.Р. Оптическое устройство для определения максимального сигнала / Патент № 2118844, Россия, 1998 г.] и содержащее источник когерентного излучения, входной оптический разветвитель с тремя оптическими разветвлениями, три оптических модулятора, три фотоприемника, оптический Y-разветвитель и фазовый модулятор. Недостатком данного устройства является возможность селекции только оптических импульсов по амплитуде и невозможность определения минимального сигнала.
Наиболее близким по техническому исполнению к предложенному устройству является устройство, содержащее источник излучения, N-выходной разветвитель, линейный оптический транспарант, электрооптические дефлекторы, N-входной оптический объединитель [Курейчик В.М., Курейчик В.В., Аллес М.А., Ковалев С.М., Соколов С.В. Оптическое устройство определения номера входа устройства, на котором присутствует сигнал нулевого уровня / Патент № 2408920, Россия, 2011г.]. Недостатком данного устройства является невозможность определения минимального двоичного числа из совокупности N двоичных чисел.
Заявленное устройство направлено на решение задачи определения минимального двоичного числа из совокупности N двоичных чисел с высоким быстродействием.
Поставленная задача возникает в системах управления техническими системами, задачах оптимизации, многомерного анализа и др.
Сущность изобретения состоит в том, что в него введены N оптоэлектронных ячеек, состоящих из управляемого оптического транспаранта, фотоприемника, оптического триггера, оптического Y-объединителя, оптического Y-разветвителя, также введены N оптических Y-разветвителей, N оптических Y-объединителей, N оптических бистабильных элементов (ОБЭ), выходной ОБЭ, выходной оптический Y-разветвитель и общий вход сброса устройства, N входами устройства являются входы N оптоэлектронных ячеек, объединенные с информационными входами управляемых оптических транспарантов (УОТ), при этом управляющий вход i-го (i=1,2,...,N) УОТ соединен с выходом i-го фотоприемника, вход которого соединен с первым выходом i-го оптического Y-разветвителя, вход которого соединен с выходом i-го оптического триггера, а второй выход i-го оптического Y-разветвителя подключен ко второму входу i-го оптического Y-объединителя, первый вход которого соединен с выходом i-го УОТ, а выход подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя, первый выход которого подключен к первому входу i-го оптического Y-объединителя, а второй выход – к i-му входу N -входного оптического объединителя, выход которого подключен ко входу выходного ОБЭ, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя, первый выход которого является выходом устройства, а второй подключен ко входу N -выходного оптического разветвителя, i-й выход которого подключен ко второму входу i-го оптического Y-объединителя, выход которого подключен ко входу i-го ОБЭ, прямой выход которого является поглощающим, а инверсный подключен ко входу i-го оптического триггера, вход сброса которого подключен к общему входу сброса устройства.
На фиг.1 приведена функциональная схема оптоэлектронного селектора минимальных двоичных чисел.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Оптоэлектронный селектор минимальных двоичных чисел (далее - устройство) содержит N оптоэлектронных ячеек 1, i=1,2,...,N, каждая из которых состоит из управляемого оптического транспаранта 2, фотоприемника 3, оптического триггера 4 , оптического Y-объединителя 5 , оптического Y-разветвителя 6. Устройство содержит также N оптических Y-разветвителей 7 , N оптических Y-объединителей 8, группу из N оптических бистабильных элементов (ОБЭ) 9, N -входной оптический объединитель 10, выходной ОБЭ 11, выходной оптический Y-разветвитель 12, N -выходной оптический разветвитель 13, общий вход сброса устройства 14.
ОБЭ, который может быть выполнен в виде, например, трансфазора, имеет один вход и два выхода – прямой, на который сигнал поступает при превышении входным сигналом заданного порога срабатывания, и инверсный, на который сигнал поступает при уровне входного сигнала, меньшем порога срабатывания.
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
N входами устройства являются входы N оптоэлектронных ячеек (ОЭЯ) 1, i=1,2,...,N, объединенные с информационными входами управляемых оптических транспарантов (УОТ) 2. Управляющий вход i-го УОТ 2 соединен с выходом i-го фотоприемника 3, вход которого соединен с первым выходом i-го оптического Y-разветвителя 6, вход которого соединен с выходом i-го оптического триггера 4, а второй выход оптического Y-разветвителя 6 подключен ко второму входу i-го оптического Y-объединителя 5. Первый вход i-го оптического Y-объединителя 5 соединен с выходом i-го УОТ 2, а выход подключен ко входу i-го оптического Y-разветвителя 7 . Первый выход i-го оптического Y-разветвителя 7 подключен к первому входу i-го оптического Y-объединителя 8, а второй выход – к i-му входу N -входного оптического объединителя 10. Выход N -входного оптического объединителя 10 подключен ко входу выходного оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 11, выход которого подключен ко входу выходного оптического Y-разветвителя 12. Первый выход выходного оптического Y-разветвителя 12 является выходом устройства, а второй подключен ко входу N -выходного оптического разветвителя 13. i-й выход N -выходного оптического разветвителя 13 подключен ко второму входу i-го оптического Y-объединителя 8, выход которого подключен ко входу i-го ОБЭ 9. Прямой выход i-го ОБЭ 9 является поглощающим, а инверсный подключен ко входу i-го оптического триггера 4, вход сброса которого подключен к общему входу сброса устройства 14.
Устройство работает следующим образом.
В основу его работы положено выделение минимального двоичного числа (ДЧ) из совокупности N ДЧ, поступающих на N входов устройства в последовательном коде, путем последовательного выделения на выходе устройства минимального значения среди текущих двоичных разрядов, поступивших на входы устройства.
i
i
i
i
i
1
2
N
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
-10
-11
Все N ДЧ синхронно поступают, начиная со старших разрядов, на входы соответствующих оптоэлектронных ячеек (ОЭЯ) 1, i=1,2,...,N, являющиеся входами устройства, в виде оптических двоичных последовательностей (кодов), единичные значения («1») которых имеют интенсивность 2 усл(овных) ед(иницы), нулевые – 0 усл.ед. Сигналы оптического кода ДЧ поступают на информационный вход управляемого оптического транспаранта (УОТ) 2, i=1,2,...,N, входящего в состав ОЭЯ 1, сигналы управления которым поступают на его управляющий вход с выхода фотоприемника 3, управляемого, в свою очередь, оптическими сигналами с выхода оптического триггера 4. Перед началом работы устройства все оптические триггеры 4,4,...,4  сигналом «Сброс», поступающим на их входы сброса с общего входа сброса устройства 14, устанавливаются в нулевое состояние: управляющие сигналы на входы фотоприемников 3 , а следовательно, и на управляющие входы УОТ 2, не поступают - все УОТ 2 находятся в состоянии пропускания оптического сигнала. Старшие разряды всех оптических двоичных последовательностей, пройдя через соответствующие УОТ 2, поступают на первые входы оптических Y-объединителей 5 , с выхода которых поступают далее на входы оптических Y-разветвителей 7. С первых выходов оптических Y-разветвителей 7 оптические сигналы, уменьшаясь по интенсивности в два раза, поступают на первые входы оптических Y-объединителей 8, а со вторых выходов – на соответствующие входы N -входного оптического объединителя 10. С выхода N -входного оптического объединителя 10 оптический сигнал, равный сумме всех соответствующих разрядов N ДЧ (в начальный момент времени - старших), поступает на вход выходного оптического бистабильного элемента (ОБЭ) 11, порог срабатывания которого равен N усл.ед. Если все текущие разряды всех N ДЧ равны «1», то входной сигнал ОБЭ 11 с интенсивностью N усл.ед. проходит на его выход, поступая далее на вход выходного оптического Y-разветвителя 12. Если хотя бы один из текущих разрядов всех N ДЧ равен «0», то входной сигнал ОБЭ 11 (с интенсивностью уже меньшей N усл.ед.) не проходит на его выход. В первом случае с выходов оптического Y-разветвителя 12 снимаются оптические сигналы, равные «1» (с интенсивностью N/2 усл.ед.), во втором - равные «0» (с нулевой интенсивностью). С первого выхода оптического Y-разветвителя 12 оптический сигнал поступает на выход устройства, формируя очередной разряд минимального ДЧ, со второго – на вход N -выходного оптического разветвителя 13. С выходов N -выходного оптического разветвителя 13 оптические сигналы с интенсивностью 1/2 усл.ед. (если все текущие разряды всех N ДЧ равны «1») или 0 усл.ед. (если хотя бы один из текущих разрядов всех N ДЧ равен «0») поступают на вторые входы оптических Y-объединителей 8. С выходов оптических Y-объединителей 8 оптические сигналы поступают на входы ОБЭ 9, пороги срабатывания которых равны 3/2 усл.ед. Если все текущие разряды всех N ДЧ равны «1», то на всех входах ОБЭ 9 будут сформированы оптические сигналы с интенсивностью 1+1/2=3/2 усл.ед., которые пройдут на прямые выходы ОБЭ 9 и поглотятся (при этом на инверсных выходах данных ОБЭ сигналы отсутствуют). Если хотя бы один из текущих разрядов всех N ДЧ равен «0», то на входе каждого ОБЭ 9 , соответствующего i-му ДЧ с текущим разрядом, равным «0», будут сформированы оптические сигналы с интенсивностью 0 усл.ед. - на прямых и инверсных выходах данных ОБЭ сигналы отсутствуют. При этом на входе каждого ОБЭ 9 , соответствующего i-му ДЧ с текущим разрядом, равным «1», будут сформированы оптические сигналы с интенсивностью 1 усл.ед., которые поступят на инверсные выходы данных ОБЭ и далее – на единичные входы соответствующих оптических триггеров 4 , переводя их в единичное состояние. В единичном состоянии на выходах оптических триггеров 4 формируются оптические сигналы с интенсивностью 4 усл.ед., которые поступают на входы оптических Y-разветвителей 6 и далее – на вторые входы оптических Y-объединителей 5 и входы фотоприемников 3. Фотоприемник 3, срабатывая по выходному сигналу оптического триггера 4, переводит соответствующий УОТ 2 в состояние запрета прохождения оптического сигнала. Т.к. в дальнейшем единичные или нулевые сигналы, поступающие на единичный вход оптического триггера 4, не могут изменить его состояния, то на все оставшееся после срабатывания оптического триггера 4 время анализа двоичных чисел i-е ДЧ из анализа исключается. При этом с выхода оптического триггера 4 через оптический Y-разветвитель 6 на второй вход оптического Y-объединителя 5 постоянно поступает оптический сигнал с интенсивностью 2 усл.ед., который приводит к постоянному формированию оптического сигнала с интенсивностью 1 усл.ед. на соответствующем входе N -входного оптического объединителя 10, что позволяет избежать ошибок формирования разрядов минимального двоичного числа на выходе ОБЭ 11 после исключения соответствующего i-го ДЧ из анализа. В результате значение текущего разряда ДЧ, формируемое на выходе устройства, равно минимальному из значений всех текущих разрядов анализируемых ДЧ, что приводит, в конечном счете, к формированию на выходе устройства последовательного кода минимального ДЧ. Т.к. быстродействие данного устройства определяется, в основном, временем срабатывания ОБЭ (10-10сек), то оно может быть использовано при обработке цифровой информации в терагерцовом диапазоне.