Двоичные счетчики повышенной надежности

Для ряда применений требуются высоконадежные последовательностные устройства, а именно счетчики и делители частоты с малой вероятностью сбоев в работе. В [1–3] описаны способы построения устройств с самовосстановлением функционирования применительно к системам, у которых количество возможных состояний превышает число рабочих (кольцевые счетчики, счетчики Джонсона, счетчики с недвоичным модулем и т. п.). Общей особенностью таких структур является возможность возникновения ложных комбинаций сигналов на выходах устройства в процессе восстановления его работоспособности.

В счетчиках с двоичным модулем количество возможных и рабочих состояний совпадает, поэтому ложных состояний возникнуть не может. Однако существует вероятность сбоев другого рода — пропуск состояний. Если, к примеру, порядок смены состояний суммирующего двоичного счетчика с модулем 4 в рабочем режиме 0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3…, то в результате сбоя он может стать следующим: 0→1→2→3→0→2→3→0→1→2→3… При этом на определенном интервале времени нарушается естественный порядок переключения разрядов, что может привести к появлению ошибок в работе узлов, связанных с этим счетчиком.

Использование стандартных методов резервирования (рис. 1) путем обработки в мажоритарных элементах сигналов трех одинаковых каналов повышает надежность функционирования устройства, но не устраняет сбой в канале. Однако появление сбоя еще в одном канале может нарушить работу устройства в целом.

Рис. 1. Структура двоичного счетчика с резервированием

Выходы счетчиков:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2

0→1→2→3→0→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→3→0→1→2→3→0

Выход устройства:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→3→2→1→0→3→2

Предлагаемый модифицированный вариант рассмотренного устройства, представленный на рис. 2, обладает свойством самовосстановления рабочих режимов во всех каналах, что существенно повышает помехоустойчивость и надежность таких счетчиковых структур. Для его реализации требуются счетчики с входом сброса по положительному фронту. В целом система функционирует подобно рассмотренной выше, но при появлении нулей на выходах мажоритарных элементов сформируется сигнал «сброс» и произойдет принудительная установка в нулевое состояние всех счетчиков.

Рис. 2. Структура двоичного счетчика с восстановлением по сигналу сброса

Выходы счетчиков:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2

0→1→2→3→0→2→3→0→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→3→0→1→0→1→2

Сигнал сброса:

+   —        —        —      +       —        —        —      +     —    —      —      +     —        —        —        +       —        —

Выход устройства:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2

Временные диаграммы работы этого устройства приведены на рис. 3. Вследствие того, что восстановление нулевых состояний счетчиков будет происходить по началу каждого цикла счета, длительность интервала сохранения сбойного состояния в любом из каналов не превысит периода смены состояний счетчика, что существенно повышает надежность и помехоустойчивость такой системы. С ростом разрядности счетчиков ее структура сохраняется, требуется лишь соответствующее увеличение количества мажоритарных элементов и входов у элемента ИЛИ-НЕ.

Рис. 3. Временные диаграммы восстановления нулевого состояния системы

Второй вариант счетчика с самовосстановлением приведен на рис. 4. Надежность его работы дополнительно повышается за счет того, что восстановление работоспособности канала, в котором произошел сбой, осуществляется в текущем такте, а не в момент достижения системой нулевого состояния. Это реализуется путем принудительной установки счетчиков в состояние, определяемое сигналами с выходов мажоритарных элементов, которое соответствует истинному в текущем такте.

Рис. 4. Структура двоичного счетчика с восстановлением текущего состояния

Выходы счетчиков:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1

0→1→2→3→0→2,1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→3,1→2→3→0→1

Сигнал установки:

—      —      —      —      —      +     —      —      —        —      —      —        —        +       —          —           —           —

Выход устройства:

0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1→2→3→0→1

Для построения такого устройства требуются счетчики с возможностью предустановки по положительному фронту (вход РЕ) и мажоритарные элементы, дополнительно формирующие сигнал ошибки F, который должен принимать единичное значение при несовпадении сигналов на его входах (таблица).

В этом случае при появлении сбоя в любом из разрядов, к примеру в старшем, как показано на рис. 5, на выходе элемента ИЛИ появляется единичный сигнал, по положительному фронту которого в текущем такте в счетчики заносится правильная комбинация сигналов. Тем самым восстанавливается работоспособность счетчиков и системы в целом. Дальнейшее повышение надежности и помехоустойчивости аналогичных систем может быть реализовано за счет увеличения параллельно функционирующих каналов. Анализируя в ходе отработки системы частоту появления сигналов ошибки, можно выявить узлы, наиболее подверженные воздействию помех, и принять соответствующие меры.

Рис. 5. Временные диаграммы восстановления работоспособности счетчика