кольцевой счетчик

Формула изобретения

Кольцевой счетчик, содержащий n D-триггеров с объединенными тактовыми входами, две группы элементов И по n элементов в каждой, n элементов ИЛИ и входную шину, прямые выходы первого n-го D-триггеров соединены с первыми входами соответственно первого n-го элементов И первой группы, первый вход первого элемента И второй группы соединен с инверсным выходом n-го D-триггера, первые входы второго n-го элементов И второй группы соединены с прямыми выходами соответственно первого (n 1)-го D-триггеров, выходы с первыми входами соответственно первого (n 1)-го элементов ИЛИ, выходы первого (n 1)-го элементов И первой группы соединены с вторыми входами соответственно второго n-го элементов ИЛИ, отличающийся тем, что в него введены два элемента ИЛИ НЕ, n RC-элементов и шина сброса, D-триггеры выполнены в виде тактируемых уровнем D-триггеров, шина сброса соединена с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ НЕ, второй вход первого элемента ИЛИ НЕ соединен с входной шиной, выход с вторым входом второго элемента ИЛИ НЕ и с объединенными тактовыми входами D-триггеров, вторые входы первого элемента И второй группы и первого (n 1)-го элементов И первой группы соединены с выходом второго элемента ИЛИ НЕ, вторые входы второго n-го элементов И второй группы и n-го элемента И первой группы соединены с выходом первого элемента ИЛИ НЕ, выход первого элемента И второй группы соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход n-го элемента И первой группы с первым входом n-го элемента ИЛИ, а выходы первого n-го элементов ИЛИ через соответствующие RC-элементы соединены с информационными входами соответственно первого n-го D-триггеров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в различных цифровых устройствах, работающих в условиях воздействия помех.

Известен кольцевой счетчик (см. книгу: А.Г. Алексенко. Основы микросхемотехники. М. : Советское радио, 1977, с. 155, рис. 5.10.1), содержащий D-триггеры, тактовые входы которых объединены и являются счетным входом счетчика. Информационные входы каждого D-триггера, кроме первого, соединены с прямым выходом предыдущего D-триггера, а информационный вход первого D-триггера соединен с инверсным выходом последнего D-триггера.

Недостатком этого кольцевого счетчика является ограниченность области его применения, обусловленная следующими причинами:

1) низкой функциональной надежностью в реальных условиях эксплуатации, обусловленной, в свою очередь, низкой помехоустойчивостью D-триггеров; при сбоях (из-за помех на входной шине, в особенности в случае размещения источника счетных импульсов на расстоянии, из-за помех на шинах питания и т.д. ) счетчик становится функционально непригодным, поскольку не сможет выйти из нерабочих (нештатных, запрещенных) состояний;

2) отсутствием возможности оперативной установки счетчика в исходное нулевое состояние перед использованием по назначению или при сбоях в процессе работы; если даже предположить наличие у счетчика входа сброса, то это еще более усиливает первую причину ограниченности области его применения, поскольку добавляется вторая управляющая шина, помехи по которой могут привести к потере счетчиком информации.

Известен кольцевой счетчик (см. авт. св. СССР N 809582 от 27.03.79, кл. Н 03 К 23/02, "Счетчик Джонсона", авторы В.Э. Петров, Е.Ф. Тощева и А.Э. Петров, опубл. 28.02.81, БИ N 8), который является прототипом и содержит входную шину, n-разрядный кольцевой регистр сдвига на D-триггерах, каждый разряд которого содержит два элемента И и два элемента ИЛИ. Входная шина соединена с тактовыми входами D-триггеров всех разрядов. Инверсный и прямой выходы D-триггера каждого разряда кольцевого регистра сдвига соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И данного разряда, входы установки в ноль и единицу - с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ данного разряда. В каждом разряде кольцевого регистра сдвига, кроме первого, вторые входы первого и второго элементов И соединены соответственно с прямыми и инверсным выходами предыдущего разряда кольцевого регистра сдвига, прямой и инверсный выходы последнего разряда которого соединены с вторыми входами соответственно второго и первого элементов И первого разряда кольцевого регистра сдвига. В каждом разряде кольцевого регистра сдвига, кроме первого и последнего, входы первого элемента ИЛИ соединены с выходами первых элементов И всех предыдущих и с выходами вторых элементов И всех последующих разрядов кольцевого регистра сдвига, входы первых элементов ИЛИ первого и последнего разрядов которого соединены соответственно с выходами вторых элементов И всех, кроме первого, и с выходами первых элементов И всех, кроме последнего, разрядов кольцевого регистра сдвига. Входы вторых элементов ИЛИ первого и последнего разрядов кольцевого регистра сдвига соединены соответственно с выходами первых элементов И всех, кроме первого, и с выходами вторых элементов И всех, кроме последнего, разрядов кольцевого регистра сдвига, в каждом разряде которого, кроме первого и последнего, входы второго элемента ИЛИ соединены с выходами первых элементов И всех последующих разрядов кольцевого регистра сдвига и с выходами вторых элементов И всех предыдущих разрядов кольцевого регистра сдвига.

Достоинством этого счетчика перед предыдущим является более высокий уровень помехоустойчивости, достигнутый путем уменьшения возможности перехода в нерабочие состояния.

Недостатком этого счетчика является ограниченность области его применения, обусловленная следующими причинами:

1) низкой функциональной надежностью, обусловленной, в свою очередь, несмотря на большое количество элементов защиты от сбоев, относительно низкой помехоустойчивостью, поскольку в любой момент времени в счетчике имеется один D-триггер (а именно D-триггер, который по алгоритму работы счетчика должен следующим счетным импульсом переключиться в следующее рабочее состояние), не защищенный от переключения помехой по входной шине, и помеха по входной шине может преждевременно несанкционированно переключить счетчик в следующее рабочее состояние; кроме того, указанный D-триггер, подготовленный к переключению следующим счетным импульсом, не защищен от преждевременного переключения в это состояние помехой (например, из-за помех в шинах питания, из-за наводок при растекании токов разряда статического электричества и т.д. ) с выхода первого элемента ИЛИ соответствующего разряда кольцевого регистра сдвига (при последовательном переключении D-триггеров в единичное состояние) или с выхода второго элемента ИЛИ этого же разряда (при последовательном переключении D-триггеров в нулевое состояние); во всех этих случаях искажается уже записанная в счетчик информация;

2) отсутствием возможности оперативной установки счетчика в исходное нулевое состояние перед применением или при необходимости в любой момент времени в процессе работы; если даже предположить наличие у счетчика входа сброса, то это еще более усиливает первую из указанных причин ограниченности его области применения, так как добавляется еще одна управляющая шина, помехи по которой в любой момент времени могут несанкционированно установить D-триггеры кольцевого регистра сдвига, находящиеся в единичном состоянии, в нулевое состояние.

Достигаемым техническим результатом является расширение области применения кольцевого счетчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в кольцевой счетчик, содержащий n D-триггеров с объединенными тактовыми входами, две группы элементов И по n элементов в каждой, n элементов ИЛИ и входную шину, прямые выходы первого - n-го D-триггеров соединены с первыми входами соответственно первого - n-го элементов И первой группы, первый вход первого элемента И второй группы соединен с инверсным выходом n-го D-триггера, первые входы второго n-го элементов И второй группы соединены с прямыми выходами соответственно первого - (n-1)-го D-триггеров, выходы - с первыми входами соответственно первого - (n-1)-го элементов ИЛИ, выходы первого - (n-1)-го элементов И первой группы соединены с вторыми входами соответственно второго - n-го элементов ИЛИ, введены два элемента ИЛИ-НЕ, n RC-элементов и шина сброса, D-триггеры выполнены в виде тактируемых уровнем D-триггеров, шина сброса соединена с первыми входами первого и второго элементов ИЛИ-НЕ, второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с входной шиной, выход - с вторым входом второго элемента ИЛИ-НЕ и с объединенными тактовыми входами D-триггеров, вторые входы первого элемента И второй группы и первого - (n-1)-го элементов И первой группы соединены с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ, вторые входы второго - n-го элементов И второй группы и n-го элемента И первой группы соединены с выходом первого элемента ИЛИ-НЕ, выход первого элемента И второй группы соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход n-го элемента И первой группы - с первым входом n-го элемента ИЛИ, а выходы первого - n-го элементов ИЛИ через соответствующие RC-элементы соединены с информационными входами соответственно первого - n-го D-триггеров.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить уровень помехоустойчивости кольцевого счетчика и оперативно установить его в любой момент в исходное нулевое состояние без нарушений достигнутого уровня помехоустойчивости и тем самым обеспечить расширение области применения кольцевого счетчика.

На фиг. 1 приведена схема кольцевого счетчика при n = 5, на фиг. 2 - вариант выполнения RC-элементов, на фиг. 3 - схема наиболее компактной реализации кольцевого счетчика при n = 4 на базе интегральных микросхем серии 564.

Кольцевой счетчик (фиг. 1) содержит первую группу 1-1...1-5 элементов И, вторую группу 2-1. . .2-5 элементов И, элементы 3-1...3-5 ИЛИ, RC-элементы 4-1. . . 4-5, тактируемые уровнем D-триггеры 5-1...5-5, первый 6 и второй 7 элементы ИЛИ-НЕ, входную шину 8 и шину сброса 9. Первые входы элементов 1-1. . .1-5 И соединены с прямыми выходами D-триггеров 5-1...5-5. Инверсный выход D-триггера 5-5 соединен с первым входом элемента 2-1 И. Первые входы элементов 2-2. . .2-5 И соединены с прямыми выходами D-триггеров 5-1...5-4 соответственно. Вторые входы элементов 2-1, 1-1...1-4 И соединены с выходом элемента 7 ИЛИ-НЕ, вторые входы элементов 2-2...2-5, 1-5 И соединены с выходом элемента 6 ИЛИ-НЕ. Шина сброса 9 соединена с первыми входами элементов 6, 7 ИЛИ-НЕ. Второй вход элемента 6 ИЛИ-НЕ соединен с входной шиной 8, выход - с вторым входом элемента 7 ИЛИ-НЕ и с тактовыми входами D-триггеров 5-1... 5-5.

RC-элементы 4-1...4-5 выполнены (см. фиг. 1) по одинаковой схеме на резисторе 10 и конденсаторе 11. Постоянная заряда (разряда) конденсатора 11 определяет уровень помехоустойчивости устройства. RC-элементы 4-1...4-5 могут быть выполнены также по схеме фиг. 2 на двух резисторах 10, 12 и одном конденсаторе 11, которая используется при реализации кольцевого счетчика на базе микросхем, изготавливаемых по КМОП-технологии. При этом выходной резистор 12 RC-элементов обеспечивает защиту входов D-триггеров 5-1...5-5 по току при отключении питания устройства.

D-триггеры 5-1. . .5-5 выполнены в виде тактируемых уровнем однотактных D-триггеров, при этом информация в D-триггеры записывается положительным уровнем сигнала на их тактовых входах.

Кольцевой счетчик работает следующим образом.

В исходном состоянии на входной шине 8 и шине сброса 9 поддерживаются уровни логического нуля, на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ - уровень логической единицы, на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логического нуля, на прямых выходах D-триггеров 5-1...5-5 - уровни логического нуля, на инверсном выходе D-триггера 5-5 - уровень логической единицы, на выходах элементов 1-1...1-5 И, 2-1...2-5 И и элементов 3-1...3-5 ИЛИ - уровни логического нуля. При этом конденсаторы 11 RC-элементов 4-1...4-5 разряжены, следовательно, на информационных входах D-триггеров 5-1...5-5 уровни логического нуля.

В указанное исходное состояние кольцевой счетчик устанавливается самостоятельно при включении питания или может быть установлен подачей импульсного сигнала сброса (импульса с уровнем логической единицы) по шине сброса 9, и происходит это следующим образом.

В выключенном состоянии кольцевого счетчика конденсаторы 11 RC-элементов разряжены, и при включении питания низкие уровни сигналов (логические нули) с этих конденсаторов записываются в D-триггеры 5-1...5-5, поскольку информация в указанные D-триггеры записывается уровнем логической единицы на их тактовых входах (на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ). При отсутствии сигналов на входной шине 8 и шине сброса 9 на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ всегда имеет место уровень логической единицы. Поэтому одновременно с записью логических нулей в D-триггеры 5-1...5-5 открываются элементы 2-2...2-5 И, 1-5 И и уровни логического нуля с прямых выходов D-триггеров 5-1...5-5, проходя соответственно через элементы 2-2...2-5 И, 1-5 И и элементы 3-1...3-5 ИЛИ, поддерживают разряженные состояния конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5.

При подаче по шине сброса 9 импульса сброса на выходах элементов 6 ИЛИ-НЕ и 7 ИЛИ-НЕ в течение длительности этого импульса будет уровень логического нуля. С выхода элемента 6 ИЛИ-НЕ уровень логического нуля поступает на вторые входы элементов 2-2...2-5 И и 1-5 И, а с выхода элемента 7 ИЛИ-НЕ - на вторые входы элементов 2-1 И и 1-1...1-4 И. Это приводит к тому, что на выходах элементов 1-1...1-5 И, 2-1...2-5 И в течение длительности импульса сброса будут поддерживаться независимо от уровней сигналов на их первых входах уровни логического нуля. Следовательно, на выходах элементов 3-1... 3-5 ИЛИ также будут уровни логического нуля. При этом разряжаются конденсаторы 11 RC-элементов 4-1...4-5 через соответствующие резисторы 10 (если какие-либо из них до подачи импульса сброса были в заряженном состоянии). Постоянная времени RC-элементов 4-1...4-5 выбирается таким образом, чтобы до окончания импульса сброса конденсаторы успели разрядиться до уровня логического нуля (или успели зарядиться или разрядиться до соответствующих логических уровней в течение длительности счетных импульсов, подаваемых по входной шине 8). Переходные процессы в RC-элементах 4-1...4-5 в течение длительности импульса сброса или счетного импульса не оказывают влияния на состояния D-триггеров 5-1. ..5-5, поскольку в течение этих импульсов на тактовых входах D-триггеров 5-1...5-5 присутствует уровень логического нуля - запрет на запись информации.

После окончания импульса сброса на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ восстанавливается уровень логической единицы, а на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логического нуля. При этом D-триггеры 5-1...5-5 устанавливаются в нулевое состояние, то есть в состояние, соответствующее разряженным конденсаторам 11 соответствующих RC-элементов на их информационных входах. Уровни логического нуля с прямых выходов D-триггеров 5-1...5-5, проходя соответственно через элементы 2-2...2-5 И, 1-5 И и далее через элементы 3-1...3-5 ИЛИ, поддерживают разряженные состояния конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5. Таким образом, в указанном исходном состоянии кольцевой счетчик сам себя "удерживает" (до поступления счетных импульсов по входной шине 8) по замкнутым цепям: информационные входы и выходы D-триггеров 5-1...5-5 - первые входы и выходы элементов 2-2...2-5 И, 1-5 И - первые входы и выходы элементов 3-1...3-5 ИЛИ - входы и выходы RC-элементов 4-1...4-5.

Рассмотрим теперь работу кольцевого счетчика в режиме счета импульсов, полагая, что перед работой он находится в указанном исходном состоянии.

При поступлении первого счетного импульса (с уровнем логической единицы) по входной шине 8 на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ появляется уровень логического нуля, а на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логической единицы. При этом уровень логического нуля, поступая на тактовые входы D-триггеров 5-1...5-5, делает их нечувствительными к уровням сигналов на информационных входах и, поступая на вторые входы элементов 2-2...2-5 И и 1-5 И, запирает последние. Уровень логической единицы с выхода элемента 7 ИЛИ-НЕ, поступая на вторые входы элементов 2-1 И и 1-1...1-4 И, открывает их. В результате уровни логического нуля с прямых выходов D-триггеров 5-1...5-4, проходя соответственно через элементы 1-1...1-4 И и элементы 3-2...3-5 И, поступают на входы RC-элементов 4-2. . .4-5, а уровень логической единицы с инверсного выхода D-триггера 5-5, проходя через элемент 2-1 И и элемент 3-1 ИЛИ, поступает на вход RC-элемента 4-1. В результате начинается заряд конденсатора 11 RC-элемента 4-1, а конденсаторы 11 RC-элементов 4-2...4-5 остаются разряженными. До окончания первого счетного импульса конденсатор 11 RC-элемента 4-1 успевает зарядиться до уровня логической единицы.

После окончания первого счетного импульса на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ восстанавливается исходный уровень логической единицы, а на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логического нуля. При этом уровнем логического нуля с выхода элемента 7 ИЛИ-НЕ запираются элементы 2-1 И, 1-1...1-4 И, а уровнем логической единицы с выхода элемента 6 ИЛИ-НЕ открываются элементы 2-2...2-5 И, 1-5 И, и в D-триггеры 5-1...5-5 с конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5 записывается (и активно поддерживается при наличии логической единицы на тактовых входах) новое состояние кольцевого счетчика: логическая единица - в D-триггер 5-1, логический нуль - в D-триггеры 5-2...5-5. Это новое состояние кольцевого счетчика далее само себя поддерживает (до поступления второго счетного импульса) по замкнутой цепи: входы и выходы D-триггеров 5-1...5-5, первые входы и выходы элементов 2-2...2-5 И, 1-5 И - первые входы и выходы элементов 3-1...3-5 И - входы и выходы RC-элементов 4-1...4-5.

При поступлении второго счетного импульса по входной шине 8 на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ снова появляется (на время длительности счетного импульса) уровень логического нуля, а на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логической единицы. Уровнем логического нуля с выхода элемента 6 ИЛИ-НЕ запираются открытые в интервале между первым и вторым счетными импульсами элементы 2-2... 2-5 И, 1-5 И и становятся нечувствительными к уровням сигналов на информационных входах D-триггеры 5-1...5-5, но свои состояния эти D-триггеры сохраняют (до окончания счетного импульса). Уровнем логической единицы с выхода элемента 7 ИЛИ-НЕ открываются закрытые в интервале между первым и вторым счетными импульсами элементы 2-1 И, 1-1...1-4 И. При этом уровень логической единицы с прямого выхода D-триггера 5-1, проходя через элементы 1-1 И и 3-2 ИЛИ, поступает на вход RC-элемента 4-2, уровни логического нуля с прямых выходов D-триггеров 5-2...5-5, проходя через элементы 1-2...1-4 И и 3-3... 3-5 ИЛИ, поступают на входы RC-элементов 4-3...4-5 соответственно, а уровень логической единицы с инверсного выхода D-триггера 5-5, проходя через элементы 2-1 И и 3-1 ИЛИ, поступает на вход RC-элемента 4-1. В результате поддерживается заряженное состояние конденсатора 11 RC-элемента 4-1, начинается заряд конденсатора 11 RC-элемента 4-2 и поддерживается разряженное состояние конденсаторов RC-элементов 4-3...4-5. Заряд конденсатора 11 RC-элемента 4-2 завершается до окончания второго счетного импульса.

После окончания второго счетного импульса на выходе элемента 6 ИЛИ-НЕ восстанавливается, как и после первого счетного импульса, исходный уровень логической единицы, а на выходе элемента 7 ИЛИ-НЕ - уровень логического нуля. При этом, как и после первого счетного импульса, запираются элементы 2-1 И, 1-1...1-4 И, открываются элементы 2-2...2-5 И, 1-5 И, а в D-триггеры 5-1...5-5 записывается (и активно поддерживается) новое состояние кольцевого счетчика, запомненное конденсаторами 11 соответствующих RC-элементов 4-1... 4-5. При этом в D-триггеры 5-1, 5-2 записывается логическая единица, а в D-триггеры 5-3. . . 5-5 - логический нуль. В дальнейшем это новое состояние кольцевого счетчика само себя поддерживает по указанной выше замкнутой цепи: информационные входы и выходы D-триггеров 5-1...5-5 - первые входы и выходы элементов 2-2...2-5 И, 1-5 И - первые входы и выходы элементов 3-1...3-5 ИЛИ - входы и выходы RC-элементов 4-1...4-5.

При поступлении последующих счетных импульсов кольцевой счетчик работает аналогично, то есть в течение счетного импульса в конденсаторы 11 RC-элементов записывается соответствующее новое состояние кольцевого счетчика, а после окончания счетного импульса это новое состояние переписывается в D-триггеры 5-1. . .5-5 и далее само себя поддерживает по указанной выше замкнутой цепи. При этом после первых пяти счетных импульсов все пять D-триггеров 5-1. . . 5-5, последовательно переключаясь, оказываются в единичном состоянии, а при поступлении последующих пяти счетных импульсов последовательно устанавливаются в исходные нулевые состояния.

Если какой-либо из поступающих по входной шине 8 или по шине сброса 9 импульсов имеет длительность короче требуемой (является помехой), то на короткое время, равное длительности указанных импульсов, на выходах элементов 2-1 И, 1-1...1-4 И и 3-1...3-5 И появляется код следующего (нового) состояния кольцевого счетчика. Однако этот кратковременный код нового состояния не приведет к заряду или разряду конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5 до соответствующих логических уровней, и после окончания такого импульса (помехи) D-триггеры 5-1. ..5-5 не переключаются в новые состояния, то есть кольцевой счетчик сохранит свое текущее состояние.

Уровень помехоустойчивости кольцевого счетчика может регулироваться в широких пределах путем изменения номиналов резисторов 10 или конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5. При этом увеличение длительности фронта и среза сигналов на информационных входах D-триггеров 5-1...5-5 (длительности заряда и разряда конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5) при повышении уровня помехоустойчивости кольцевого счетчика не приводит к нарушению его работоспособности или электрических режимов его элементов, поскольку переключения D-триггеров 5-1. . . 5-5 происходят после окончания счетных импульсов или импульса сброса, то есть после завершения переходных процессов заряда и разряда конденсаторов 11 RC-элементов 4-1...4-5.

Таким образом, кольцевой счетчик является устойчивым к помехам, поступающим как по входной шине 8, так и по шине сброса 9. При этом уровень его помехоустойчивости может регулироваться в широких пределах, а наличие отдельной шины сброса 9 позволяет оперативно установить кольцевой счетчик в исходное нулевое состояние в произвольный момент времени при использовании по назначению без выключения и повторного включения питания. Эти преимущества заявляемого кольцевого счетчика перед прототипом расширяют область его применения, например, он может быть использован и в переносной пультовой аппаратуре дистанционного управления объектами для приема от последних число-импульсной ответной информации, когда в линиях связи имеют место электромагнитные помехи, а во внутренних цепях ручного сброса пультовой аппаратуры - наводки от токов растекания при разрядах статического электричества от оператора.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достигнутого технического результата в институте построен и испытан в диапазоне температур от минус 50^oC до 50^oC лабораторный макет, выполненный по схеме фиг. 3 с использованием интегральных микросхем серии 564 - мультиплексора 564ЛС2(13) и тактируемых уровнем D-триггеров 564ТМ3(14). При этом RC-элементы (15-1... 15-4) были реализованы на дискретных резисторах С2-33 и конденсаторах К10-17. Проведенные испытания показали осуществимость заявляемого кольцевого счетчика и подтвердили его практическую ценность.