Цифровой регистр сдвига на аналоговых элементах

Полезная модель предназначена, в основном, для использования в измерительных системах, в качестве устройства управления аналоговыми ключами, коммутирующими сигналы от множества датчиков измерительного канала. Она может быть использована также в вычислительной технике, как устройство преобразования двоичного кода. В отличие от известных конструкций регистров сдвига на цифровых элементах, предлагаемый регистр сдвига выполнен на аналоговых элементах. Каждый разряд регистра сдвига включает триггер Шмитта и инвертирующий повторитель - узлы, которые могут быть построены на операционных усилителях. Рациональным способом реализации предлагаемого регистра сдвига является использование интегральных микросхемы, содержащих четыре операционных усилителя. Это позволяет упростить принципиальную схему измерительной системы, топологию печатной платы, сократить расходы на ее разработку и изготовление.

Описываемая полезная модель предназначена, в основном, для использования в измерительных системах, в качестве устройства управления аналоговыми ключами, коммутирующими сигналы от множества датчиков измерительного канала. Данная полезная модель может быть использована также в вычислительной технике, как устройство преобразования двоичного кода.

Для обеспечения требуемого режима функционирования датчиков измерительного канала, усиления поступающих с них аналоговых сигналов, а также согласования датчиков с линией связи используются различные аналоговые устройства: генераторы тока или напряжения, предварительные усилители, повторители и др. В то же время устройства управления аналоговыми ключами, коммутирующими сигналы, которые поступают с разных датчиков, строятся на цифровых элементах. Одним из распространенных устройств данного типа является регистр сдвига. Известные конструкции регистров сдвига построены на триггерах - цифровых элементах, имеющих два устойчивых состояния (Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург, 2004, - 782 с.) Наибольшее распространение получили регистры сдвига на триггерах типа D, благодаря минимальному числу необходимых соединений между отдельными триггерами, каждый из которых образует отдельный разряд регистра. Требование минимизации числа соединительных линий особенно важно для измерительных систем, в которых информация поступает от множества датчиков, расположенных в разных точках объекта или среды.

Регистр сдвига на триггерах типа D состоит из n разрядов, соединенных последовательно, каждый i-тый (1in) разряд имеет информационный вход D_i, вход синхронизации C_i и выход Q_i, информационный входпервого разряда D₁ является информационным входом D регистра сдвига, входы синхронизации C_i, всех разрядов соединены между собой и подключены к общему входу синхронизации С.

Необходимость использования цифровых микросхем в ряде случаев является недостатком известных конструкций регистров сдвига. Совместное применение цифровых и аналоговых микросхем увеличивает число корпусов, количество монтажных площадок, шин питания, усложняет электрическую схему измерительной системы и топологию печатной платы, повышает стоимость ее разработки и изготовления. С целью преодоления указанных недостатков был разработан описываемый сдвиговый регистр, который может быть полностью построен на аналоговых элементах.

Регистр сдвига (рис.1а) состоит из n разрядов, каждый разряд включает триггер Шмитта (усилитель, охваченный глубокой положительной обратной связью) и инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным единице (инвертирующий повторитель). Информационным входом D_i является вход управления уровнями срабатывания триггера Шмитта, входом синхронизации C_i, служит основной вход триггера Шмитта. Сигнал с выхода триггера Шмитта подается на вход инвертирующего усилителя. В качестве выходов для нечетных разрядов (Q₁, Q₃, Q₅, и т.д.) используются выходы триггеров Шмитта, выходами четных разрядов (Q₂, Q₄, Q₆ и т.д.) являются выходы инвертирующих усилителей. Схемы нечетных и четных разрядов регистра приведены на рис.1б и рис.1в соответственно.

Большая часть аналоговых устройств измерительных систем в настоящее время конструируется на основе микросхем операционных усилителей (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993. - 413 с.) Рационально поэтому использовать операционные усилители и для построения регистра сдвига. На рис.2а приведена схема предлагаемого регистра сдвига, выполненная на операционных усилителях.

Регистр сдвига состоит из n разрядов, каждый разряд выполнен на основе двух операционных усилителей: первого OY1_i , и второго OY2_i, OY1_i, включен по схеме триггера Шмитта, к неинвертирующему входу OY1_i, подключены резистор R1_i, свободный вывод которого служит информационным входом D_i, и резистор положительной обратной связи R2_i, инвертирующий вход OY1_i, является входом синхронизации C_i,-, OY2_i, включен по схеме инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным единице, к инвертирующему входу OY2_i , подключены резистор R3_i, свободный конец которого подключен к выходу ОY1_i и резистор отрицательной обратной связи R4_i, неинвертирующий вход OY2 _i, заземлен, сопротивления всех резисторов одинаковы, выходами нечетных разрядов регистра (Q₁, Q₃, Q ₅, и т.д.) являются выходы первых операционных усилителей (OY1₁, ОY1₃, ОY1₅ и т.д.), выходами четных разрядов регистра (Q₂, Q ₄, Q₆ и т.д.) являются выходы вторых операционных усилителей (ОY2₂, ОY2₄, ОY2₆ и т.д.) Схемы нечетных и четных разрядов регистра приведены на рис.2б и рис.2в соответственно.

Для построения описываемого регистра сдвига целесообразно использовать микросхемы, в состав которых входят четыре операционных усилителя. Два из четырех операционных усилителей, входящих в состав таких микросхем, используются в одном разряде регистра сдвига, два оставшихся операционных усилителя могут быть использованы для обслуживания датчика и предварительной обработки поступающего с него аналогового сигнала.

Практическая проверка описываемого регистра сдвига проводилась с использованием микросхем LF444 (в каждом разряде регистра сдвига использовались два из четырех операционных усилителей, входящих в состав каждой микросхемы). Была зафиксирована надежная работа регистра сдвига при частоте синхроимпульсов вплоть до 100 кГц, что является вполне достаточным для использования описываемого регистра в качестве устройства управления аналоговыми ключами измерительной системы.

1. Регистр сдвига, состоящий из n разрядов, каждый i-й (1in) разряд имеет информационный вход D_i, вход синхронизации С_i и выход Q_i, информационный вход первого разряда D₁ является информационным входом D регистра сдвига, входы синхронизации С_i всех разрядов соединены между собой и подключены к общему входу синхронизации С, отличающийся тем, что каждый разряд состоит из триггера Шмитта и инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным единице, информационным входом D_i является вход управления уровнями срабатывания триггера Шмитта, входом синхронизации С _i служит основной вход триггера Шмитта, выход триггера Шмитта соединен с входом инвертирующего усилителя, в качестве выходов для нечетных разрядов (Q₁, Q₃, Q₅ и т.д.) используются выходы триггеров Шмитта, выходами четных разрядов (Q₂, Q₄, Q₆ и т.д.) являются выходы инвертирующих усилителей.

2. Регистр сдвига по п.1, отличающийся тем, что триггеры Шмитта и инвертирующие усилители каждого разряда регистра выполнены на операционных усилителях.

3. Регистр сдвига по п.2, отличающийся тем, что в каждом разряде регистра используются два операционных усилителя, входящие в состав микросхемы, содержащей четыре операционных усилителя.