Электронная схема замедления и схемы задержки - RU2205497C2
Код документа: RU2205497C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к детонаторам с электронным замедлением и, в частности, к программируемым детонаторам с электронным замедлением инициирования.
Известны электронные детонаторы, которые используются для инициирования зарядов взрывчатых веществ, например, для инициирования заряда усилителя детонаторов, которые используются в горной промышленности и при земляных работах. Такие детонаторы известны более точными характеристиками замедления по сравнению с традиционным устройствам, работа которых основана на химическом действии.
В американском патенте 5377592 авторов Роде и др. (Rode et al.) от 3 января 1995 г. описывается цифровое электронное устройство замедления, питание которого обеспечивается от энергии импульса, вырабатываемого пьезоэлектрическим преобразователем в ответ на сигнал инициирования ударного типа. Сигнал инициирования возбуждает пьезоэлектрический преобразователь таким образом, что он вырабатывает заряд электрической энергии, которая накапливается в накопительном конденсаторе. Энергия отбирается из накопительного конденсатора для питания схемы таймера, содержащей генератор и счетчик, который отсчитывает импульсы колебаний, поступающие от генератора, до заранее заданной величины. Когда будет достигнута заранее заданная величина подсчета, вырабатывается сигнал, по которому осуществляется разряд оставшейся в накопительном конденсаторе энергии на элемент электрического воспламенителя, например взрывчатую проволочную перемычку. Детонатор может быть оснащен программируемым интерфейсом с внешним доступом так, что величина замедления схемы таймера может быть запрограммирована после сборки детонатора.
В американском патенте 5435248 авторов Роде и др. (Rode et al.) от 25 июля 1995 г. описывается дистанционный электронный цифровой детонатор с замедлением, содержащий пережигаемые перемычки, которые используются для постоянного программирования требуемого функционального замедления схемы детонатора.
Электронные детонаторы такого типа, как описаны в вышеуказанном американском патенте 5435248 и американском патенте 5377592 содержат обычные генераторы и счетчики.
Настоящее изобретение относится к нескольким новым признакам, которые применяются в детонаторах с электронным замедлением. Один из признаков в соответствии с настоящим изобретением относится к схеме генератора, предназначенной для вырабатывания синхронизирующего сигнала, содержащего серию тактовых импульсов. Схема генератора содержит средство опорного напряжения, предназначенное для вырабатывания опорного напряжения. Генератор содержит, по меньшей мере, два конденсатора, причем каждый конденсатор находится в заряженном состоянии или разряженном состоянии относительно опорного напряжения. Конденсатор в разряженном состоянии имеет напряжение меньшее, чем опорное напряжение, и будет называться разряженный конденсатор, и конденсатор в заряженном состоянии имеет напряжение, которое превышает опорное напряжение, и будет называться заряженный конденсатор. Имеется также средство зарядки, предназначенное для зарядки разряженного конденсатора до заряженного состояния, и средство разрядки, предназначенное для разрядки заряженного конденсатора, который будет называться заряженный рабочий конденсатор, в разряженное состояние. Генератор дополнительно содержит устройство сравнения, предназначенное для вырабатывания внутреннего сигнала каждый раз, когда заряженный рабочий конденсатор переходит в разряженное состояние. Имеется также средство переключения, предназначенное для отсоединения разряженного конденсатора от средства разрядки и присоединения его к средству зарядки и отсоединения заряженного конденсатора от средства зарядки и присоединение его к средству разрядки, а также фиксатор, предназначенный для выработки тактового импульса в ответ на внутренние сигналы. Средство переключения может реагировать на фиксатор таким образом, что оно будет выполнять функцию переключения в ответ на тактовые импульсы, вырабатываемые фиксатором.
Настоящее изобретение также относится к программируемой схеме электронного таймера, которая предназначена для вырабатывания выходного сигнала таймера после истечения запрограммированного времени замедления, которое следует после приема электрического сигнала инициирования. Схема таймера содержит (в случае необходимости, как описано выше) логически управляемую схему генератора, предназначенного для вырабатывания в ответ на сигнал включения тактовых импульсов синхронизирующего сигнала, содержащего серию тактовых импульсов, и схему сброса, предназначенную для вырабатывания сигнала сброса RESET при включении устройства. Таймер также содержит инициируемый счетчик со сквозным переносом, сконфигурированный таким образом, что он подсчитывает тактовые импульсы и вырабатывает выходной сигнал таймера, когда достигается заранее заданная величина подсчета. Счетчик со сквозным переносом содержит множество последовательных каскадов счетчика, причем каждый из них способен устанавливаться в единичное или нулевое состояние и содержит вход установки в единицу, через который состояние каскада счетчика может быть установлено в единицу и вход установки в ноль, через который состояние каскада счетчика может быть установлено в ноль. Каждый каскад счетчика, кроме того, содержит, по меньшей мере, один выход, предназначенный для съема с него сигнала каскада счетчика, который указывает состояние данного каскада счетчика. Схема таймера дополнительно содержит группу программирования, содержащую схемы установки в единицу и схемы установки в ноль, связанные с каждым из каскадов счетчика. Каждая из схем установки в единицу передает сигнал установки в единицу на вход установки в единицу связанного с ней каскада счетчика в ответ на сигнал загрузки счетчика, поступающий из схемы управления, и каждая схема установки в ноль производит сигнал, подаваемый на вход установки в ноль каскада счетчика в ответ на один из сигналов загрузки счетчика или сигнал сброса RESET при включении питания. Схема установки в ноль производит сигнал с конечной величиной длительности, а схема установки в единицу выполнена таким образом, что она вырабатывает сигнал, имеющий одно из двух различных значений длительности конечной величины, причем одно из них превышает длительность сигнала схемы установки в ноль. Соединенный с ними каскад счетчика может принимать сигналы от схемы установки в единицу и от схемы установки в ноль одновременно, при этом каскад счетчика сконфигурирован таким образом, что более длительный сигнал определяет исходное состояние соединенного с ними каскада счетчика. Схема таймера дополнительно содержит схему управления, которая после приема сигнала сброса RESET при включении питания и электрического сигнала инициирования вырабатывает сигнал загрузки счетчика RST, и сигнал включения тактовых импульсов CLKEN.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения каждая из схем установки в единицу может содержать средство программирования, сохраняющее информацию при отключении питания, которое может быть установлено таким образом, что оно заставит схему установки вырабатывать более длительный сигнал, чем сигнал, вырабатываемый схемой установки в ноль. В случае необходимости каждая схема установки в единицу может содержать программируемый вход и вход данных, с помощью которого определяется состояние средства программирования, информация которого не зависит от наличия питания, по состоянию сигнала данных, когда на вход включения программирования поступает сигнал программирования.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения средство программирования, информация которого не зависит от питания, может содержать микросхему типа электронно перепрограммируемой постоянной памяти (EEPROM).
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения выходы каскада счетчика могут быть соединены с входами программирования соединенных с ним схем установки в единицу так, что с каждого из каскадов счетчика может подаваться сигнал данных на соединенную с ним схему установки в единицу.
Настоящее изобретение также относится к схеме электронного таймера с блокировкой, которая может быть программируемой или может не быть программируемой, как описано выше, предназначенной для вырабатывания выходного сигнала таймера после истечения времени замедления, отмеряемого после приема электрического сигнала инициирования. Эта схема таймера содержит схему генератора (в случае необходимости, как описано выше), которая в ответ на сигнал сброса RESET вырабатывает, по меньшей мере, один опорный тактовый сигнал, содержащий серию опорных тактовых импульсов. Счетчик со сквозным переносом выполнен таким образом, что он подсчитывает опорные тактовые импульсы и вырабатывает выходной сигнал таймера, когда достигается заранее заданная величина подсчета. Имеется также логическая схема тактовых импульсов, через которую счетчик со сквозным переносом принимает опорные тактовые импульсы, когда логическая схема тактовых импульсов принимает сигнал включения тактовых импульсов CLKEN. Кроме того, имеется схема управления, содержащая группу управления, содержащую три каскада управления, соединенные так, что обеспечивается сквозной перенос. В три управляющих каскада входят блокирующий управляющий каскад, управляющий каскад загрузки счетчика и управляющий каскад, включающий тактовые импульсы, и каждый из управляющих каскадов может быть установлен в единицу или в ноль при приеме сигнала сброса RESET, который производит первичную установку каждого из управляющих каскадов в состояние ноль, причем каждый из управляющих каскадов имеет выход, на который поступает сигнал, указывающий состояние управляющего каскада. Схема управления дополнительно содержит перекрывающую логическую управляющую схему, предназначенную для вырабатывания сигнала включения тактовых импульсов CLKEN, когда управляющий каскад, включающий тактовые импульсы, вырабатывает сигнал установки в единицу. Схема управления дополнительно содержит программируемую блокирующую переключающую схему, не зависящую от напряжения питания, которая может быть установлена в единицу и в ноль. Блокирующая переключающая схема переводится в состояние единица в ответ на выходной сигнал блокирующего управляющего каскада, и она устанавливается в состояние ноль в ответ, по меньшей мере, на один из сигналов программирования. Блокирующая переключающая схема имеет выход, соединенный с логическим входом блокирующего управляющего каскада, и выполнена таким образом, что подает сигнал на логический вход блокирующего управляющего каскада, только когда блокирующая переключающая схема находится в состоянии ноль при приеме инициирующего сигнала. Таким образом, блокирующая переключающая схема включает каскад загрузки счетчика и затем каскад включения тактовых импульсов. Блокирующий управляющий каскад подает сигнал на блокирующую переключающую схему для запрещения повторного сброса блокирующей переключающей схемой управляющей группы до тех пор, пока не будет сброшена блокирующая переключающая схема.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения схема таймера, как описано выше, может быть вмонтирована в блок схемы преобразователя. Такой блок содержит модуль преобразователя, предназначенный для преобразования импульса ударной волны в импульс электрической энергии, и электронный модуль, который соединен с модулем преобразователя. Электронный модуль содержит схему замедления и инициирующий элемент. Схема замедления содержит средство накопления, присоединенное к модулю преобразователя, предназначенное для приема и накопления электрической энергии, поступающей из модуля преобразователя, переключающую схему, соединяющую средство накопления с инициирующим элементом для освобождения энергии, накопленной в средстве накопления на инициирующий элемент в ответ на сигнал из блока замедления, содержащего схему таймера, как описано выше. Схема таймера функционально соединена с переключающей схемой для управления освобождением на инициирующий элемент с помощью переключающей схемы энергии, накопленной в средстве накопления. Инициирующий элемент функционально соединен со средством накопления через переключающую схему для приема энергии от средства накопления и для выработки выходного инициирующего сигнала в ответ на ее поступление.
Любой из вышеуказанных признаков или их совокупность могут быть включены в детонатор. Такой детонатор может содержать, например, корпус, имеющий закрытый конец и открытый конец, причем открытый конец имеет такие размеры и конфигурацию, что может присоединяться к средству передачи инициирующего сигнала; средство передачи инициирующего сигнала, размещенное в корпусе, предназначенное для передачи электрического инициирующего сигнала на входной вывод схемы замедления; источник питания, предназначенный для снабжения энергией питания, необходимой для включения выходного инициирующего средства; схему замедления, размещенную в корпусе, содержание которой описывается ниже, и выходное средство детонатора, располагающееся в корпусе, предназначенное для генерирования выходного сигнала взрыва при разряде средства накопления.
Фиг. 1 изображает блок-схему цифровой схемы замедления в соответствии с конкретным
вариантом воплощения
настоящего изобретения;
фиг.2А
- блок-схему схемы управления работой схемы, изображенной на фиг. 1;
фиг. 2В - принципиальную схему конкретного варианта
воплощения схемы управления
работой, изображенной на фиг.2А;
фиг.3А - блок-схему части генератора в соответствии со схемой, изображенной на фиг.1;
фиг. 3В - принципиальную схему
конкретного варианта
воплощения части генератора в соответствии со схемой,
изображенной на фиг.3А;
фиг. 3С - принципиальную схему одного из вариантов воплощения устройства 34е сравнения,
изображенного на
фиг.3В;
фиг. 3D - принципиальную схему одного из
вариантов воплощения схемы 34s смещения, изображенной на фиг.3В;
фиг. 4А - блок-схему программируемого счетчика в
соответствии с
конкретным вариантом воплощения части счетчика в соответствии
со схемой, изображенной на фиг.1;
фиг. 4В - принципиальную схему каскада счетчика и связанную с ним схему
установки в единицу,
и схему установки в ноль в соответствии с конкретным вариантом
воплощения счетчика, изображенного на фиг.4А;
фиг. 4С - принципиальную схему альтернативного варианта
воплощения схемы
установки программируемого счетчика, изображенного на фиг.4А;
фиг. 5 - вид в перспективе с частичным разрезом блока схемы преобразователя, содержащего электронный модуль и
трубку вместе с
модулем преобразователя;
фиг. 6А - схематический вид с частичным
разрезом, показывающий детонатор с замедлением, содержащий установленную в нем схему замедления в
соответствии с одним из
вариантов воплощения настоящего изобретения; и
фиг.6В - вид с
увеличением по отношению к фиг.6А компонентов изолирующего колпачка и усиливающего заряда детонатора по
фиг.6А.
Электронная схема в соответствии с настоящим изобретением содержит схему замедления инициирования, которой присущи один или большее количество отдельных новых аспектов, которые, хотя и могут применяться независимо друг от друга в схемах замедления детонаторов и в других схемах, предпочтительно могут быть скомбинированы в виде одной схемы в соответствии с приведенным здесь описанием.
Электронная схема замедления инициирования, которая может содержать один или большее количество признаков в соответствии с настоящим изобретением, схематически изображена на фиг.1. Питание схемы 10 замедления инициирования осуществляется от накопительного конденсатора 14, который получает электрический заряд с выхода пьезоэлектрического преобразователя 12. Пьезоэлектрический преобразователь 12 хорошо известен в данной области техники и применяется для получения электрического импульса в ответ на импульс на воздействие, который может передаваться, например, по неэлектрической линии передачи сигнала, такой как детонирующий шнур или ударная трубка или с помощью небольшого заряда взрывчатого материала, расположенного поблизости. Электроэнергия, производимая преобразователем 12, составляет электрический инициирующий сигнал для схемы 10 замедления на входном выводе 18а. Большая часть энергии накапливается накопительным конденсатором 14, который после этого предоставляет электроэнергию для питания схемы 10 замедления инициирования и для включения элемента электрического инициирования, такого как полупроводниковая перемычка ("ППП") 16, который соединен со схемой 10. Полупроводниковые перемычки хорошо известны в данной области техники и используются для инициирования выходного заряда детонатора.
Преобразователь и конденсатор позволяют использовать схемы замедления в соответствии с настоящим изобретением с неэлектрическими линиями передачи инициирующего сигнала, но в альтернативных вариантах воплощения, эти схемы могут быть присоединены к электрической системе инициирования, то есть к такой схеме, в которой инициирующие сигналы и, в случае необходимости, питания, могут подаваться на детонатор в виде электрических сигналов по запальным проводам. Линии передачи неэлектрических сигналов предпочтительны по сравнению с запальными проводами в тех случаях, когда требуется предотвратить попадание электромагнитных сигналов помехи от радиоволн, почвенных токов, разрядов молний и т.д. Как будет видно дальше, импульс давления, который возбуждает пьезоэлектрический преобразователь 12, может содержать инициирующий сигнал, от которого схема измеряет время замедления и воспламеняет детонатор.
В типичном варианте воплощения схема 10 замедления детонатора собирается из двух основных компонентов, инициирующей части 18 и части 28 замедления, причем обе содержат составляющие схемы. Инициирующая часть 18 получает питание от источника питания, например от накопительного конденсатора 14, и обеспечивает путь, через который конденсатор 14 получает импульс электроэнергии пьезоэлектрического преобразователя 12, например через управляющий диод 20, который не позволяет электрическому току протекать обратно на преобразователь 12. Предпочтительно накопительный конденсатор 14 представляет собой конденсатор емкостью 0,5 микрофарад, который обеспечивает ток 4 микроампера в течение, по меньшей мере, 10 секунд. В одном из альтернативных вариантов воплощения инициирующая часть 18 может получать питание от батареи. Инициирующая часть 18 выполняет управляющую инициирующую функцию, задерживая энергию от источника питания, не давая инициировать электрический инициирующий элемент до тех пор, пока не поступит сигнал воспламенения от части 28 замедления, который указывает, что прошел требуемый интервал замедления. Инициирующая управляющая функция может быть обеспечена, главным образом, с помощью переключающего элемента, такого как тринистор ("SCR") 22, через который источник питания, например накопительный конденсатор 14, соединяется с ППП 16. В описываемом варианте воплощения переключающий элемент предотвращает разряд конденсатора 14 на выходные выводы 18b, и, таким образом, на ППП 16 до приема сигнала от схемы 24 управления триггером. Схема 24 управления триггером переключает тринистор 22 в проводящее состояние в ответ на сигнал переключения, поступающий из части 28 замедления, который указывает, что требуемый интервал замедления истек. Инициирующая часть 18 предпочтительно также содержит регулятор 26 напряжения, который отбирает некоторую энергию от конденсатора 14 и обеспечивает питание части 28 замедления схемы 10 замедления детонатора. Инициирующая часть 18 предпочтительно также содержит схему 30 установки напряжения, которая вырабатывает сигнал приблизительно в 12 вольт, который обозначен PROGP, который подается на часть 28 замедления через вход 42с после приема инициирующего сигнала. Сигнал PROGP используется частью 28 замедления, как описано ниже. Инициирующая часть 18 также сконфигурирована таким образом, что она производит сигнал напряжения питания VDD с напряжением приблизительно 5 вольт, который отбирается от источника питания после приема инициирующего сигнала.
Предпочтительно инициирующая часть 18 изготовляется в виде диэлектрически изолированной биполярной комплементарной металлооксидной кремниевой интегральной микросхемы (DI BiCMOS), потому что такая схемотехника наиболее подходит для сигнала управления с величиной, требуемой для питания схемы и для надежного воспламенения инициирующего элемента. Часть 28 замедления может быть выполнена как стандартная CMOS (комплементарная металлооксидная кремниевая) микросхема.
Предпочтительно часть 28 замедления получает питание от регулятора 26 напряжения инициирующей части 18 через вход 42f с напряжением, обозначенным VDD (обычно приблизительно 5 вольт) (иногда здесь обозначается как "сигнал VDD"). После заранее заданной величины замедления, которое начинается после поступления сигнала включения VDD на вход 42f, часть 28 замедления подает запускающий сигнал на выходной вывод 42d, который передается на схему 24 управления инициированием инициирующей части 18, которая позволяет тринистору 22 передать энергию на ППП 16. Предпочтительно часть 28 замедления содержит ряд схем, включая схему 32 таймера, предназначенную для измерения интервала замедления. Схема 32 таймера части 28 замедления содержит генератор 34 и счетчик 36. Предпочтительно схема таймера 32 является программируемой, и счетчик 36 содержит счетчик 38 со сквозным переносом и группу 40 программирования, которая может устанавливать исходное значение счетчика 38 со сквозным переносом. Часть 28 замедления предпочтительно также включает схему 46 управления работой, которая после приема сигнала PROGP не позволяет схеме 32 таймера повторно сбрасываться после кратковременной потери напряжения питания. Часть 28 замедления предпочтительно работает в двух режимах: в режиме программирования, в котором определяется интервал замедления, который должна отсчитывать схема, и в режиме замедления, в котором она отсчитывает интервал замедления, на который она была запрограммирована после подачи напряжения VDD от инициирующей части 18. Часть 28 замедления работает в режиме замедления до тех пор, пока другие сигналы соответствующего напряжения не будут поданы на схему 46 управления работой, как описано ниже.
Как указывалось выше, один из признаков настоящего изобретения относится к схеме 46 управления работой, которая вырабатывает сигналы, которые управляют сбросом при включении питания, последовательностью работы и управлением другими функциями схемы 10 замедления детонатора. Например, как будет описано ниже, схема 46 управления работой обеспечивает, что после того, как схема 32 таймера начнет отсчет в режиме замедления, она не будет сбрасываться после кратковременной потери напряжения питания. В соответствии с этим схема 46 управления работой предотвращает воспламенение детонатора в случаях, когда кратковременная потеря напряжения питания повлияет на точность подсчета интервала замедления, как описано ниже.
Работа схемы 46 управления будет рассмотрена со ссылкой на ее схематическое изображение, представленное на фиг.2А. Схема 46 управления работой в описываемом варианте воплощения содержит схему 46а управления сбросом при включении питания ("СВП"), которая отвечает за подачу напряжения питания с уровнем VDD на часть 28 замедления. Схема 46а СВП также отвечает за перекрывающий сигнал сброса RESET, вырабатываемый схемой 48 выработки сигнала сброса RESET (фиг.1), который используется для программирования таймера 32, когда часть 28 замедления включена в режим программирования, как описано ниже. Схема 46а СВП отвечает на сигнал VDD и на перекрывающий сигнал сброса RESET, как описано ниже, вырабатывая при этом сигнал RESET START, который передается в течение ограниченного времени на генератор 34 и на каждый из каскадов управляющей группы, содержащей, по меньшей мере, три управляющих каскада 46b, 46с и 46d. Предпочтительно, каждый из управляющих каскадов выполнен таким образом, что он имеет один информационный вход и два выхода, то есть нормальный и инверсный выходы. Управляющий каскад 46b обозначается здесь как блокирующий управляющий каскад, управляющий каскад 46с обозначается здесь как управляющий каскад загрузки счетчика и управляющий каскад 46d обозначается здесь как управляющий каскад, включающий тактовые импульсы. Сигнал RESET START, вырабатываемый схемой 46а СВП, сбрасывает каждый из управляющих каскадов, устанавливая нормальный выход каждого из управляющих каскадов в неактивное или в низкое логическое состояние, и инициирует генератор 34, как будет описано ниже. Управляющие каскады 46b, 46с и 46d соединены вместе с обеспечением сквозного переноса, который необходим для передачи сигнала с одного из них на следующий каскад в соответствии с импульсом сигнала CLK2A тактовой частоты, который подается генератором 34.
Схема 46 управления работой дополнительно содержит блокирующую переключающую схему 46е, которая выполнена таким образом, что она принимает входные сигналы от блокирующего управляющего каскада 46b и от источников за пределами микросхемы сигнал PROGP, на входе 42с (фиг.1), и сигнал V18. Сигнал PROGP поступает на вход 42с после того, как инициирующая часть 18 принимает электрический инициирующий сигнал и входной сигнал V18, который используется во время программирования, как описано ниже. Блокирующая переключающая схема 46е содержит блокирующую ячейку (описанную ниже), которая может принимать либо активное состояние, либо неактивное состояние. Блокирующая ячейка сохраняет информацию при потере напряжения питания, что означает, что ее состояние будет сохраняться даже в случае потери напряжения питания в любой из частей схемы 10 таймера и изменит состояние только при приеме блокирующей переключающей схемой 46е конкретных сигналов в соответствии с приведенным здесь описанием. Например, блокирующая переключающая схема 46е может содержать ячейку электронно программируемого постоянного запоминающего устройства, содержание которой не зависит от наличия напряжения питания (EEPROM). Блокирующая переключающая схема 46е выполнена таким образом, что, когда часть 28 замедления первый раз после программирования получает сигнал питания VDD, блокирующая ячейка находится в активном состоянии, и исходное состояние блокирующего сигнала на линии 46g будет активным. Два выхода управляющего каскада 46b подключены к блокирующей переключающей схеме 46е, как описано ниже, и нормальный выход управляющего каскада 46b, кроме того, подключен ко входу каскада 46с загрузки счетчика.
Нормальный выход управляющего каскада 46с загрузки счетчика не только подключен ко входу управляющего каскада 46d, включающего тактовые импульсы, но также подключен как сигнал загрузки счетчика RST к таймеру, как будет описано ниже. При приеме активного входного сигнала от управляющего каскада 46с загрузки счетчика управляющий каскад 46d включения тактовых импульсов вырабатывает активный выходной сигнал на нормальном выходе, который подключен ко входу для включения перекрывающей схемы 46f, и неактивный сигнал выхода RESET START Z на инверсном выходе. Неактивный сигнал RESET START Z открывает схему 54 установки воспламенения (фиг.1), позволяя, таким образом, сигналу инициирования поступать на инициирующую часть 18 после истечения заранее заданного интервала замедления. Открытая перекрывающая схема 46f принимает выходной сигнал от управляющего каскада 46d, включающего тактовые импульсы, и от источника, который будет описан ниже, сигнал, обозначенный HV, который поступает, когда часть 28 замедления включена в режим программирования. Открытая перекрывающая схема 46f производит сигнал включения тактовых импульсов CLKEN, когда на нее подается активный сигнал от каскада 46d до тех пор, пока не поступит активный сигнал HV. Таким образом, перекрывающая схема 46f закрывается активным сигналом HV.
При поступлении напряжения питания на часть 28 замедления, работающую в режиме замедления, блокирующий сигнал в линии 46g будет установлен в активное состояние, и схема 46а СВП устанавливает в ноль управляющие каскады 46b, 46с и 46d, то есть их нормальные выходы будут не активированы. Как только схема 46а СВП закончит вырабатывать сигнал RESET START и он станет неактивным, блокирующий управляющий каскад 46b в ответ на прием импульса сигнала CLK2A тактовой частоты, то есть "синхронно" с импульсами тактовой частоты, вырабатывает сигнал на нормальном выходе Q, который будет соответствовать логическому состоянию блокирующего сигнала в линии 46g. Это изменение сигнала на нормальном выходе управляющего каскада 46b с неактивного на активное состояние стирает содержимое блокирующей ячейки, то есть переводит эту ячейку в неактивное состояние, но блокирующая переключающая схема 46е сохранит активный блокирующий сигнал в линии 46g до тех пор, пока схема 46а СВП не выработает последующий сигнал RESET START. Активный сигнал на нормальном выходе блокирующего управляющего каскада 46b в линии 46j на следующем тактовом импульсе активизирует выход каскада 46с загрузки счетчика. С активного выхода каскада 46с поступает сигнал загрузки счетчика RST, и активный сигнал поступает на вход управляющего каскада 46d, включающего тактовые импульсы. С приходом активного сигнала на вход следующий импульс тактовой частоты переведет каскад 46d в такое состояние, что на его выходе будет активный сигнал, включающий перекрывающую схему 46f.
Включенная перекрывающая схема 46f при этом вырабатывает активный сигнал включения тактовых импульсов CLKEN. Активный сигнал на входе управляющего каскада 46d, включающего тактовые импульсы, также заставляет каскад 46d вырабатывать неактивный сигнал на инверсном выходе, то есть сигнал RESET START Z будет теперь неактивным. До тех пор пока входной сигнал в линии 46g, поступающий на блокирующий управляющий каскад 46b, будет активным, последующие импульсы тактовой частоты CLK2A не будут влиять на состояние выхода каскада 46b. Таким образом, как можно видеть, активные сигналы RST и CLKEN, и неактивный сигнал RESET START Z будут вырабатываться до тех пор, пока следующий сигнал RESET START не установит в ноль управляющие каскады, то есть до тех пор, пока схема 46а СВП не будет повторно активизирована.
Сигналы RST и CLKEN необходимы для работы схемы замедления детонатора, как будет описано ниже. Так как эти сигналы получаются с выходов каскадов со сквозным переносом, следует понимать, что они не будут получены до тех пор, пока на вход блокирующего управляющего каскада 46b не будет подан активный сигнал блокирующей схемы 46е, и на управляющие каскады 46b, 46с и 46d поступят тактовые импульсы CLK2A после окончания сигнала RESET START. Однако блокирующая переключающая схема 46е выполнена таким образом, что ее способность вырабатывать активный сигнал в линии 46g после включения питания зависит от состояния блокирующей ячейки. Как описано выше, блокирующий управляющий каскад 46b заставляет блокирующую переключающую схему 46е стирать содержимое блокирующей ячейки. Таким образом, даже если будет принят новый сигнал RESET START и управляющие каскады 46b, 46с и 46d будут установлены в ноль, сигналы RST и CLKEN не будут вырабатываться, поскольку сигнал в линии 46g будет неактивным. Другими словами, управляющая схема 46 блокирует последующую работу схемы 10 таймера до тех пор, пока блокирующая ячейка не будет повторно активирована в соответствии с приведенным здесь описанием.
Сигнал RST, произведенный схемой 46 управления работой в нормальном режиме замедления, передается на схему 32 таймера и на схему 54 сброса воспламенения (фиг.1). Активный сигнал RESET START Z, полученный с помощью схемы 46 управления работой в нормальном режиме работы замедления, передается на схему 54 сброса воспламенения только после поступления сигнала RESET START, например при включении питания. Активный сигнал RESET START Z удерживает схему 54 сброса воспламенения в состоянии сброса так, что она не позволяет схеме 44 выхода воспламенения передавать сигнал инициирования в инициирующую часть 18 через выход 42d. Схема 54 сброса воспламенения выполнена таким образом, что при приеме неактивного сигнала RESET START Z и сигнала RST (которые вырабатываются после окончания подачи сигнала RESET START, и после того, как управляющие каскады 46b, 46с и 46d принимают серию тактовых импульсов сигнала CLK2A), она вырабатывает сигнал, обозначенный CND, который передается на схему 44 выхода воспламенения для инициирования этой схемы. Затем после приема выходного сигнала тактовых импульсов со счетчика 38 схема 44 выхода воспламенения (фиг.1) вырабатывает сигнал инициирования на выводе 42d.
Входы для сигналов V18 и PROGP блокирующей переключающей схемы 46е используются для обхода блокирующей функции схемы 46 управления работой, описанной выше, то есть для разрешения схемой 46 управления работой инициировать генератор 34 и, таким образом, для включения таймера 32 без блокировки последующих функций таймера с целью программирования, как будет описано ниже.
Принципиальная схема конкретного варианта воплощения схемы управления работой в соответствии с настоящим изобретением изображена на фиг.2В. Рассматривая фиг. 2В, можно видеть, что во время обычной работы, когда схема 30 установки напряжения (фиг. 1) вырабатывает сигнал PROGP (приблизительно 12 вольт) и схема 46а СВП вырабатывает сигнал RESET START, управляющий электрод программирования ячейки 149 электронно программируемого постоянного запоминающего устройства EEPROM в блокирующей переключающей схеме 46е поддерживается на низком уровне сигнала, и сток полевого транзистора 151 определяет состояние сигнала в линии 46g. Если ячейка 149 электронно программируемого постоянного запоминающего устройства EEPROM была предварительно установлена в режим с высоким внутренним сопротивлением, то когда часть 28 замедления программируется, сигнал на стоке транзистора 151 будет высоким, обеспечивая, таким образом, активный блокирующий сигнал в линии 46g блокирующего управляющего каскада 46b.
Затем, когда сигналы на выходах каскада 46b переключатся, сигнал на затворе транзистора 152 переключится в низкое состояние. Логическое устройство программирования, содержащее транзистор 157, который поддерживал управляющий электрод программирования ячейки 149 электронно программируемого постоянного запоминающего устройства EEPROM на низком уровне, затем освобождается, и ячейке 149 электронно программируемого постоянного запоминающего устройства EEPROM разрешается перейти в проводящее состояние. Как было описано выше, это условие обеспечивает подачу "постоянного" неактивного входного сигнала на управляющий каскад 46b после вырабатывания сигнала RESET START из-за кратковременной потери питания. Последующее повторное начало отсчета времени таймера 32 будет запрещено, поскольку на стоке транзистора 151 будет низкий уровень напряжения, и сигнал в линии 46g будет неактивным. Если, из-за кратковременной потери питания, которая может произойти, например, из-за ненадежного соединения между конденсатором 14 и инициирующей частью 18, при которой схемой 46а СВП будет вырабатываться новый сигнал RESET START, ячейка 149 электронно программируемого постоянного запоминающего устройства EEPROM не будет устанавливаться в ноль, и управляющие каскады останутся блокированными.
Источник сигнала CLK2A, от которого зависит схема 46 управления работой, может представлять собой обычный генератор, выполненный по любой схеме. Настоящее изобретение, однако, относится к новому генератору, изображенному схематично на фиг. 3А. В общих чертах генератор 34 работает на основе RC цепочки, в которой происходит разряд заряженного конденсатора. Степень заряда конденсатора отслеживается схемой сравнения, которая вырабатывает сигнал, когда напряжение конденсатора понижается ниже опорного напряжения REF, то есть когда конденсатор становится разряженным. Этот сигнал используется средством переключения, которое переключает разряженный конденсатор, заменяя его на заряженный конденсатор, и подключает разряженный конденсатор к источнику питания, который заряжает его до напряжения, превышающего величину опорного напряжения REF. Обычно в связи с этим генератор содержит два конденсатора, хотя в других вариантах воплощения может использоваться больше двух конденсаторов.
На фиг.3А можно видеть, что генератор
34 содержит первый конденсатор 34а и второй конденсатор 34b. Переключающая схема 34с служит для
присоединения одного из
конденсаторов к резистору, расположенному за переделами микросхемы,
подключенному к узловой точке 34d, через который конденсатор разряжается. Резистор, подключенный к узловой
точке 34d, соединен с
микросхемой на входе 42g SETR (фиг.1). Переключающая схема 34с также
соединяет другой конденсатор с источником заряда. В соответствии с сигналом, принимаемым по линии 34i,
переключающая схема 34с,
по
существу, меняет положение двух конденсаторов на противоположное.
Заряд конденсатора, то есть заряд конденсатора, который разряжается через узловую точку 34d, или
связанный с ним заряд, например,
заряд на узловой точке
34d, сравнивается с опорным
напряжением с помощью схемы сравнения 34е. Когда заряд конденсатора падает ниже опорного напряжения, схема
34е сравнения вырабатывает
сигнал,
который передается на схему 34f фиксатора. После приема
сигнала со схемы сравнения схема 34f фиксатора вырабатывает сигнал, который используется как выходной сигнал
генератора в линии 34g.
Выходной
сигнал схемы 34f фиксатора также может подаваться как
переключающий сигнал на схему 34с переключения по линии 34i сигнала переключения. Таким образом, по мере того
как конденсаторы 34а и
34b
поочередно заряжаются и разряжаются, схема 34f фиксатора
будет производить серию импульсов, представляющую тактовый сигнал. Как показано на фиг.3А, тактовый сигнал в линии
34g обозначается CLK2A
и
представляет собой тактовый сигнал, который управляет
сквозным переносом схемы 46 управления работой. На фиг.3А также изображена логическая схема 34h, управляющая тактовыми
импульсами, которая
принимает выходной сигнал со схемы 34f фиксатора, но
которой необходим сигнал CLKEN, поступающий от схемы 46 управления работой с тем, чтобы пропускать сигнал CLK2,
соответствующий тактовому сигналу,
производимому схемой 34f фиксатора. Сигнал CLK2
используется для увеличения величины подсчета счетчика колебаний. Совместно счетчик и генератор составляют таймер,
работа которого управляется схемой
46
управления работой через логическую схему
34h включения тактовых импульсов. Без активного сигнала CLKEN логическая схема 34h включения тактовых импульсов не
будет вырабатывать сигнал CLK2, даже
если
фиксатор 34f будет вырабатывать сигнал
CLK2A для использования в других местах схемы части 28 замедления. Таким образом, работа таймера в целом и, в
частности, работа счетчика в соответствии с
поступающими тактовыми импульсами зависит
от наличия активного сигнала включения тактовых импульсов CLKEN.
Частота генератора представляет собой частоту, с которой состояние каждого из выходов Q, QZ возвращается в исходное состояние, например, частота с которой выход Q переключается в высокое или активное состояние. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что величина сопротивления резистора, подключенного к узловой точке 34d, будет влиять на время разрядки конденсатора, подсоединенного к ней, и что этот резистор можно подбирать с целью получения требуемой частоты колебаний. Генератор может иметь частоту или период колебаний, например, приблизительно 50 микросекунд.
Принципиальная схема конкретного варианта воплощения генератора для использования в соответствии с настоящим изобретением показана на фиг.3В. Здесь можно видеть, что первый конденсатор 34а и второй конденсатор 34b встроены в сборку транзисторов, которые составляют переключающую схему 34с. Переключающая схема 34с, по существу, подключает разряженный конденсатор к источнику питания для его перезарядки, в то время как она подключает заряженный конденсатор к резистору, подключенному к узловой точке 34d, для разряда. Кроме того, можно видеть, что фиксатор 34f содержит два выхода Q и QZ и что выход Q управляет транзисторами 34j и 34k через линию 34iQ, в то время как выход QZ управляет транзисторами 34m и 34n через линию 34iQZ. Совместно линии 34iQ и 34iQZ составляют линию 34i сигнала переключения, изображенную на фиг.3А.
Генератор 34 (фиг.3В) содержит схему принудительного старта, содержащую управляющую схему 34р заряда, триггер 34q, стартовую схему 34r и схему 34s смещения, предназначенную для инициирования работы генератора при включении питания даже в случае, если к резистору в узловой точке 34d подключена большая емкость для проверки или программирования. При включении питания управляющая схема 34р заряда включает транзисторы 34t и 34u, таким образом, начиная процесс заряда конденсаторов 34а, 34b и обходя какую-либо паразитную емкость, подключенную к узловой точке 34d. Когда сигнал RESET START становится активным, сигнал на выходе стартовой схемы 34r переводит выходной сигнал Q триггера 34 на низкий уровень, поэтому сигнал "включить", который подается на транзисторы 34t и 34u, сохраняется в положении включено. Заряд подается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе, которое измеряется устройством 34е сравнения в точке INP, не превысит 2/3 VDD. В этот момент устройство 34е сравнения переключается в высокое положение, заставляя сигнал на выходе Q триггера 34q, который присоединен к управляющей схеме 34р заряда перейти в высокое положение. В соответствии с этим управляющая схема 34р заряда, выключает транзисторы 34t и 34u. Напряжение в точке INP, которая представляет собой вход устройства 34е сравнения, затем начинает падать, разряжая конденсатор 34а через резистор в узловой точке 34d. Когда напряжение INP падает ниже величины 2/3 VDD, устройство сравнения переключается в низкое положение, заставляя фиксатор 34f переключиться. Затем нормальная работа генератора продолжается, как описано выше.
На фиг.3С изображена предпочтительная конфигурация схемы устройства 34е сравнения, которое представляет собой двухкаскадную переключающую схему с высокой скоростью переключения, высоким коэффициентом усиления и низким уровнем потребления тока. Входной сигнал смещения отражается по току в М9, M8, М7 и М5. Транзисторы Ml, M2, М3 и М4 составляют первый каскад входного дифференциального усилителя и транзисторы М13, М14, М15 и М16 составляют второй каскад.
На фиг. 3D показана предпочтительная конфигурация схемы 34s смещения, изображенной на фиг.3В. Транзистор b5 обеспечивает, что на сборку b1, b2, b3 и b4 из четырех транзисторов будет подано напряжение питания при приеме сигнала RESET START. Эта сборка из четырех транзисторов представляет собой стабильный источник напряжения, не зависящий от вариаций параметров элементов, составляющих схему, типичную для структур комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS), в котором используется компенсация различных пороговых напряжений транзисторов р-типа и n-типа. Остальные транзисторы в схеме 34s устанавливают смещение схемы 34е устройства сравнения и ограничивают ток, потребляемый стартовой схемой 34r.
Сигналы тактовых импульсов от генератора 34 (фиг.3А) могут подаваться на любой обычный счетчик со сквозным переносом, который может программироваться для выработки выходного сигнала таймера после подсчета точно установленного количества тактовых импульсов. Один из аспектов настоящего изобретения, однако, относится к новому программируемому счетчику 36 (фиг.1), который может использоваться в схеме детонатора. Программируемый счетчик 36 содержит счетчик 38 со сквозным переносом, который содержит множество каскадов счетчика (таких как фиксаторы типа D), подключенных с обеспечением сквозного переноса. Каждый из каскадов 38а, 38b и т.д. счетчика (фиг.4А) может принимать одно из состояний "установлено в единицу" или "установлено в ноль" и содержит входы, по которым состояние каскада счетчика может инициироваться. Каждый каскад счетчика содержит, по меньшей мере, один выход для подачи сигнала, который указывает состояние данного каскада счетчика. Обычный выход обозначен буквой Q, и каждый каскад счетчика также имеет инверсный выход, например QZ. Программируемый счетчик 36 также содержит группу программирования, содержащую множество схем установки в единицу 40а, 40а' и т.д. и множество схем 40b, 40b' и т.д. установки в ноль, причем каждый каскад счетчика связан со схемой установки в единицу и схемой установки в ноль. Выходы схем установки в единицу 40а, 40а' и т.д. и схем 40b, 40b' и т.д. установки в ноль соединены с соответствующими входами связанных с ними каскадов счетчика и схемы установки в единицу, схемы установки в ноль и каскады счетчика выполнены таким образом, что активный сигнал от схемы установки в единицу устанавливает каскад счетчика в состояние единицы и активный сигнал от схемы установки в ноль устанавливает каскад счетчика в состояние ноль. Каскады счетчика выполнены таким образом, что, когда сигнал установки в ноль и сигнал установки в единицу принимаются одновременно, состояние каскада счетчика будет определять более длинный сигнал. Счетчик 38 со сквозным переносом имеет инвертирующую схему, которая инвертирует полярность сигнала PROG, вырабатываемого схемой 52 PROG (фиг.1), и при этом вырабатывается сигнал VEN.
Первый каскад 38а счетчика (фиг.4А) принимает импульсы тактовой частоты от генератора и может принимать сигнал CLK2 тактовой частоты, который проходит через логическую схему, описанную выше со ссылкой на фиг.2А. На входы схем установки в единицу поступают сигналы, обозначенные VPP, VEN (от схемы 52 PROG) и RST; на входы схем установки в ноль поступают сигнал RST и сигнал RESET со схемы 48 выработки сигнала сброса (фиг.1).
Каждая из схем установки в единицу может принимать одно из двух состояний, в которых она вырабатывает длинный или короткий сигналы установки в единицу соответственно. Состояние схемы установки в единицу может фиксироваться информационным сигналом, поступающим на соответствующий информационный вход P. В предпочтительном варианте воплощения выходной сигнал из связанного каскада счетчика подает информационный сигнал на информационный вход Р схемы установки в единицу для обеспечения конкретного способа программирования, описанного ниже.
Для обеспечения программирования часть 28 замедления (фиг.1) содержит вход 42а управления, вход 42f питания (для сигнала питания, обозначенного VDD, с напряжением обычно приблизительно 5 вольт), схему 48 выработки сигнала сброса и программируемый вход 42b (иногда обозначается V18), причем последний представляет собой многофункциональный вход, как будет описано ниже.
Процедура программирования счетчика схематично изображена на фиг.4А в следующем виде. Во-первых, сигналы включения с напряжением приблизительно 5 вольт подаются на входы 42b и 42f (фиг.1) от внешнего программирующего устройства. Логически высокий или активный сигнал управления CONTROL подается от внешнего устройства через вход 42а на схему 48 выработки сигнала сброса. Схема 48 выработки сигнала сброса вырабатывает сигнал сброса RESET, который подается на схему 46а СВП (фиг.2А) схемы 46 управления работой (фиг.1) для подавления внутренней функции СВП и для сброса всей части 28 замедления. Когда сигнал управления CONTROL переходит в низкое логическое состояние, схема 46а СВП (фиг.2А) вырабатывает сигнал RESET START, который сбрасывает каскады управления работой и активизирует схему 34 генератора. Генератор 34 начинает циклическую работу и управляет управляющими каскадами схемы 46 управления работой. Когда схема 46f вырабатывает сигнал CLKEN, импульсы тактовой частоты пропускаются на счетчик 38 колебаний, в котором начинает увеличиваться значение подсчета. Генератору 34 и счетчику 36 разрешается циклически работать в течение требуемого интервала времени, причем в этот момент сигнал на входе 42b вырастает выше значения VDD, по меньшей мере, на один вольт, то есть VDD+1. Предпочтительно сигнал на входе 42b изначально на 0,5 вольт меньше значения VDD (то есть VDD-0,5) и повышается до величины на 2 вольта больше, чем VDD (VDD+2), после того как пройдет требуемый интервал времени.
Как показано на фиг. 1, вход 42b соединен со схемой 50 V/H, которая представляет собой буфер и различает различные сигналы, поступающие на вход 42b, и вырабатывает соответствующие выходные сигналы. Когда сигнал в точке 42b повышается до величины, которая превышает VDD более чем на 1 вольт, в конце требуемого времени замедления схема V/H производит сигнал HV, который передается на схему 46f (фиг. 2А) схемы 46 управления работой. Схема 46f работает таким образом, что она выключает сигнал CLKEN, останавливая при этом таймер, запрещая генератору дальнейшее увеличение величины отсчета в счетчике через логическую схему 34h (фиг.3А). Схема 50 V/H также производит сигнал VPP программирования всякий раз, когда сигнал на входе 42b превышает 6 вольт. (Действие сигнала VPP будет описано ниже.) Соответственно сигнал с величиной, по меньшей мере, 0,5VDD, подаваемый на вход 42b, приведет к вырабатыванию сигнала PROG. Сигнал на входе 42b, который превышает VDD+1, приведет к вырабатыванию сигнала HV, который останавливает счетчик, и сигнал на входе 42b, который превышает 6 вольт, приведет к вырабатыванию сигнала VPP. Во время программирования сигнал на входе 42а достигает величины приблизительно 14 вольт, и блокирующая переключающая схема 46е (фиг.2А) выполнена таким образом, что такой сигнал сбрасывает ее блокирующий бит.
С точки зрения работы описанной выше схемы 50 V/H, условие, что исходный сигнал на входе 42а находится между значениями 0, 5VDD и VDD+1, одновременно с наличием сигнала управления на входе 42а (причем оба из них подключены к схеме 48 выработки сигнала сброса), приводит к формированию сигнала сброса RESET, который устанавливает в ноль счетчик 38 колебаний и удерживает схему 46а СВП (фиг. 2А) в состоянии сброса. Когда сигнал управления CONTROL принимает низкий уровень, внутренняя функция СВП приводит к началу работы генератора 34 (фиг.1) и к увеличению содержимого подсчета каскадов счетчика. После того как пройдет требуемый интервал времени, сигнал на входе 42а повышается до величины выше VDD+1, что приводит к тому, что схема 50 V/H вырабатывает сигнал HV, который останавливает счетчик, как описано выше. Сигнал на входе 42b затем увеличивается до уровня, по меньшей мере, 6 вольт, что приводит к тому, что схема 50 V/H вырабатывает сигнал программирования, который позволяет определять состояние схемы установки в единицу по состоянию информационного сигнала на информационном входе схемы установки в единицу. Сигнал V18 высокого уровня также устанавливает в ноль блокирующий бит в схеме 46 управления работой, позволяя производить последующую работу таймера. Таким образом, инициируя и прекращая сигнал управления CONTROL и регулируя сигнал на входе 42b соответствующим образом, последовательность, вырабатываемая при включении питания и работа тактовых импульсов, которая происходят в нормальном режиме эксплуатации (то есть в результате поступления входного сигнала на вход 18а, который приводит к выработке сигнала PROGP в схеме 42с), могут быть синхронизированы с измерением требуемого времени замедления с помощью внешнего программирующего устройства, с тем чтобы можно было соответствующим образом запрограммировать схему таймера на требуемое время замедления.
В описываемом предпочтительном варианте воплощения схемы установки в единицу принимают выходные сигналы от связанных с ними каскадов счетчика, так что состояние каждого из каскадов счетчика, когда счетчик остановлен, то есть в конце требуемого интервала времени, отображается состоянием связанных с ними схем установки в единицу. Предпочтительно каждая схема установки в единицу содержит элемент схемы, не зависящий от напряжения питания, такой как ячейка электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM, которая программируется состоянием входного информационного сигнала, поступающего на схему установки в единицу. В соответствии с этим, как только состояние схемы установки в единицу будет запрограммировано, напряжение питания может быть отключено от схемы таймера, и конфигурация счетчика, которая должна быть в конце требуемого времени замедления, будет сохранена.
При работе, как только таймер будет сброшен в ответ на поступление сигнала сброса RESET, исходное состояние каскадов счетчика должно быть загружено из связанных с ними схем установки в единицу. Это выполняется, когда схемой управления работы которая изображена на фиг.2А и 2В, будет выработан сигнал RST. Сигнал RST позволяет как схемам установки в единицу, так и схемам установки в ноль, связанным с каждым из каскадов счетчика, передавать сигнал на каскад счетчика.
Схема установки в единицу и схема установки в ноль выполнена таким образом, что после того, как сигнал RST переходит в низкое логическое состояние, они вырабатывают свои сигналы, которые должны быть поданы на каскад счетчика одновременно, но на временные интервалы различной длительности. В общем, схемы установки в единицу выполнены таким образом, что, когда они не запрограммированы, постоянная времени схемы установки в единицу составляет приблизительно половину постоянной времени схемы установки в ноль. В соответствии с этим сигнал установки в ноль будет более длительным и будет преобладать над сигналом установки незапрограммированной схемы установки в единицу, и каскад счетчика будет установлен в ноль. С другой стороны, схемы установки в единицу выполнены таким образом, что, если программное средство, независящее от питания, например ячейка электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM, будет запрограммирована, постоянная времени схемы установки в единицу будет превышать постоянную времени схемы установки в ноль так, что после того, как сигнал RST перейдет в низкое логическое состояние, он будет преобладать над сигналом установки в ноль, и каскад счетчика будет установлен в единицу или "загружен" программой установочной схемы.
Дополнительные детали конкретных вариантов воплощения схем установки в единицу и схем установки в ноль для использования в счетчике в соответствии с настоящим изобретением показаны на фиг.4В, на которой изображен каскад 38' счетчика, который связан со схемой 40а" установки в единицу и схемой 40b" установки в ноль. В схеме 40а" установки в единицу ссылка Q2 обозначает ячейку электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM, не зависящей от напряжения питания.
Как только программирование будет закончено, принятые вслед за этим сигналы PROGP и VDD на входах 42с и 42f соответственно заставят схему 46а СВП выработать сигнал RESET START, предназначенный для различных компонентов схемы части 28 замедления, и он заставляет работать генератор 34. Когда сигнал PROGP и исходные импульсы генератора 34 будут получены схемой 46 управления работой, схема 46 управления работой будет производить сигнал RST, сигнал CLKEN и сигнал RESET START Z, которые включают другие схемы части 28 замедления. В это же время блокирующая часть схемы 46 управления работой, то есть блокирующая переключающая схема 46е, будет установлена в состоянии, в котором она будет запрещать последующее выполнение последовательности управления работой. В соответствии с этим, в случае, когда произойдет кратковременная потеря напряжения питания на входе 42f после начала работы таймера, восстановление напряжения питания на входе 42f не приведет к перезагрузке счетчика или к повторному инициированию таймера, поскольку блокирующая ячейка, не зависящая от напряжения питания в схеме 46 управления работой, которая была установлена в единицу до потери напряжения питания, не позволит схеме 46 управления работой выполнить эти функции. В частности, блокирующая переключающая схема 46е будет продолжать вырабатывать неактивный выходной сигнал, несмотря на потерю и переустановку напряжения питания в части 28 замедления, и неактивный сигнал, принятый блокирующим управляющим каскадом 46b, не позволит выработать активные сигналы RST и CLKEN. Таким образом, схема замедления в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает, что детонатор не будет инициирован, если произойдет кратковременная потеря напряжения питания во время отсчета интервала замедления.
В альтернативном варианте воплощения программируемой электронной схемы таймера в соответствии с настоящим изобретением средство программирования, не зависящее от напряжения питания установочной схемы, может вместо ячейки электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM содержать пережигаемые перемычки. Принципиальная схема такой установочной схемы изображена на фиг.4С. Установочная схема 140а" имеет входы для таких же сигналов, как и в установочной схеме 40а", изображенной на фиг.4В, т.е. VEN, VPP, RST, информационные входы (Q), и вырабатывает такие же выходные сигналы, SDN (установка в единицу). Программирование установочной схемы 140а" и загрузка из нее связанного с ней каскада счетчика выполняются, в общем, таким же образом, как для установочных схем, содержащих ячейки электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM. Однако процедура программирования приводит либо к тому, что пережигаемая перемычка 142 останется нетронутой либо придет в открытое состояние. В частности, когда на информационном входе во время процесса программирования будет получен активный сигнал из соответствующего каскада счетчика, пережигаемая перемычка 142 остается нетронутой. Соответственно когда установки в группе программирования загружаются в счетчик, нетронутая пережигаемая перемычка эффективно замыкает выходной сигнал установочной схемы 140а". В соответствии с этим сигнал установки в ноль из схемы установки в ноль будет превышать по длительности сигнал установки в единицу, поступающий от схемы установки в единицу, и соответствующий каскад счетчика будет установлен в ноль. И наоборот, когда на информационном входе данных во время программирования будет получен неактивный сигнал или "ноль", пережигаемая перемычка будет открыта. Когда связанный с ней каскад счетчика впоследствии будет загружен, установочная схема 140а" будет способна произвести сигнал установки в единицу (SDN), который будет превышать по длительности сигнал установки в ноль от связанной с ним схемы установки в ноль, и каскад счетчика будет затем установлен в единицу.
Обычно для того, чтобы открыть пережигаемую перемычку, требуется больший ток, чем необходим для установки в единицу ячейки электронно перепрограммируемой постоянной памяти EEPROM. В соответствии с этим установочная схема 140а" имеет несколько отличающуюся конфигурацию, чем установочная схема 40а", изображенная на фиг.4В. Например, элементы 112 и 114 установочной схемы 140а" будут больше, чем соответствующие элементы схемы 40а", такие как Q1 и Q4, с тем чтобы они могли управлять достаточно большим током, необходимым для открывания пережигаемой перемычки при напряжениях питания, применяемых в схемах на основе комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS).
Альтернативный способ программирования состоит в подрезке (то есть в открытии) соответствующих пережигаемых перемычек с использованием лазера вместо работы счетчика в течение требуемого интервала времени и использования выходных сигналов каскадов счетчика для управления токами пережигания - открытия. В этом альтернативном подходе в большей степени полагаются на точность частоты генератора, чем в вышеописанном способе программирования. В вышеописанном способе схема включается на период времени, измеряемый с помощью внешних часов, и затем, когда достигается требуемый интервал времени, счетчик останавливается, и программируемый набор будет запрограммирован в соответствии с выходными сигналами каскадов счетчика. Таким образом, все таймеры будут измерять интервал, определенный по внешним часам, даже, если частота генераторов (и поэтому величины подсчета программы) в разных микросхемах будут отличаться. Способ настройки лазером, однако, является нечувствительным к вариациям частоты генератора и позволяет устанавливать известную величину замедления только в случае, если частота генератора будет известна заранее. Поэтому способ настройки лазером требует большей точности при производстве генератора.
В то время как в варианте воплощения, изображенном на фиг.1, часть 28 замедления используется в соединении с инициирующей частью 18, предназначенной для управления включением ППП, которое необходимо для инициирования детонатора, сигнал триггера, производимый частью 28 замедления, может использоваться для управления любым устройством, которое должно работать с заранее заданным интервалом времени от приема инициирующих сигналов, которые поступают на часть 28 замедления.
Точно так же схема 32 программируемого таймера может использоваться в устройствах, которые не являются детонаторами, везде, где требуется программируемый электронным путем, не зависящий от напряжения питания таймер. Аналогично генератор 34, который предпочтительно используется как часть таймера, может использоваться как часть любого другого устройства, в котором требуется выработка тактовых импульсов.
Схема электронного замедления в соответствии с настоящим изобретением может быть встроена в блок схемы преобразователя, изображенный, в общем, на фиг.5, для удобного включения ее в детонатор. Блок 155 схемы преобразователя содержит электронный модуль 154, который содержит схему 10 замедления, изображенную на фиг.1 с инициирующим элементом 146 (например, ППП), подключенным к ней. На фиг.5 изображены различные компоненты схемы 10 замедления, включая часть 28 замедления с связанным с ней резистором 134d (подключен к узловой точке 34d, как изображено на фиг.3А), инициирующую часть 18, накопительный конденсатор 14, подключаемый в случае необходимости стабилизирующий нагрузочный резистор 116 (для медленного разряда конденсатора 14 в случае, если не будет произведено воспламенение детонатора после заряда конденсатора 14, в вариантах воплощения, которые не включают признак блокировки, описанный выше) и выходные проводники 137, которые представляют собой выводы, на которые разряжается накопительный конденсатор 14. Эти различные компоненты смонтированы на частях в виде решетки или на дорожках 141 рамки выводов и, за исключением выходных проводников (или выходных "выводов") 137 расположены в герметизирующей оболочке 115. Блок 155 схемы преобразователя содержит элемент 146 инициирования, который содержит полупроводниковую перемычку 16 (которая присоединена через выходные проводники 137) и инициирующий заряд 146а, который предпочтительно содержит взрывчатое вещество в виде мелко размолотых частиц, такое как BNCP (тетраамин-цис-бис(5-нитро-2Н-тетразолато-N2) кобальт (III) перхлорат), DXN-1, DDNP, азид свинца или стифнат свинца, в инициирующей оболочке 146b, которая зажата в области 144 горловины герметизирующей оболочки 115 и которая содержит инициирующий заряд 146а с возможностью передачи энергии от полупроводниковой перемычки 16. Инициирующий заряд 146а предпочтительно заключен в инициирующую оболочку 146b с плотностью менее чем 80 процентов ее теоретической максимальной плотности (ТМП). Например, инициирующий блок может быть запрессован в оболочку 146b при давлении приблизительно 1000 pci (70 кг/см2). Предпочтительно ППП 16 закреплен на выходных проводниках 137 таким образом, что позволяет ППП 16 находиться внутри, при этом он окружен инициирующим зарядом 146а. В качестве альтернативы такие материалы могут поставляться в тестообразном виде или в виде смеси шариков, которые могут наноситься на ППП. Выходной инициирующий элемент 146 может содержать часть выходного средства детонатора и может использоваться, например, для инициирования основного заряда или "выходного" заряда детонатора, в котором размещается блок 155 схемы преобразователя, как описано ниже.
Герметизирующая оболочка 115 предпочтительно соединена с трубкой 121 вдоль проходящих вдоль ее длины выпуклых ребер или пластинок (которые не видны на фиг.5) и таким образом образуется зазор 148 между герметизирующей оболочкой 115 и трубкой 121 вокруг окружности герметизирующей оболочки 115 между выступами. (В качестве альтернативы герметизирующая оболочка 115 может содержать амортизирующий материал, который, в случае необходимости, может обеспечивать полный контакт с трубкой 121). Герметизирующая оболочка 115, в случае необходимости, образует зубцы 150, которые позволяют осуществлять доступ к проверочным точкам 152, но которые предпочтительно оставляют эти выводы в пределах профиля поверхности герметизирующей оболочки 115, то есть эти выводы предпочтительно не проходят в зазор 148. Если зубцы 150 не будут образовываться, предпочтительно, чтобы проверочные выводы не проходили через зазор 148 и не входили в контакт с окружающей оболочкой. В соответствии с этим перед тем, как электронный модуль, который содержит различные элементы схемы, выходной инициирующий элемент 146 и герметизирующую оболочку 115, будет помещен в трубку 121, выводы, такие как выводы 152, могут быть доступны для проверки собранной схемы. Затем электронный модуль 154 может быть вставлен в трубку 121 и при этом выводы 152 не будут входить в контакт с трубкой 121.
Электронный модуль 154 выполнен таким образом, что выходные проводники 137 и проводники 156 инициирующего входа, через который накопительный конденсатор 14 может быть заряжен, выходят из соответствующих противоположных концов электронного модуля 154. Модуль 158 преобразователя содержит пьезоэлектрический преобразователь 12 и два передающих проводника 162, которые расположены внутри герметизирующей оболочки 164 преобразователя. Герметизирующая оболочка 164 преобразователя имеет такие размеры и конфигурацию, что она соединяется с трубкой 121 так, что модуль 158 преобразователя может быть закреплен на конце трубки 121 так, что проводники 162 будут в контакте с входными выводами 156. Предпочтительно герметизирующая оболочка 115, трубка 121 и герметизирующая оболочка 164 преобразователя имеют такие размеры и конфигурацию, что в собранном виде, как показано на фиг.5, между герметизирующей оболочкой 115 и герметизирующей оболочкой 164 преобразователя будет образован воздушный зазор, обозначенный 166. Таким образом, электронный модуль 154 будет, по меньшей мере, частично экранирован от ударной волны детонации, которая заставляет пьезоэлектрический преобразователь 12 вырабатывать электрический импульс, который инициирует электронный модуль 154. Давление, прилагаемое такой ударной волной детонации, передается через модуль 158 преобразователя на трубку 121, как показано стрелками 168 силы, а не на электронный модуль 154. Различные электронные сборки и элементы могут монтироваться непосредственно на металлических дорожках 141 проводников рамки или, в качестве альтернативы, на полимерной или керамической подложке при компоновке типа монтажа кристаллов на печатной плате.
Рассмотрим теперь фиг. 6А, на которой изображен один из вариантов воплощения детонатора 200 с замедлением, содержащий электронный модуль в соответствии с настоящим изобретением. Детонатор 200 с замедлением содержит корпус 212, который имеет открытый конец 212а и закрытый конец 212b. Корпус 212 изготовлен из электропроводящего материала, обычно из алюминия, и предпочтительно имеет размеры и форму, соответствующие обычным подрывным воспламенителям, то есть детонаторам. Детонатор 200 содержит средство передачи инициирующего сигнала, предназначенное для подачи электрического инициирующего сигнала на схему замедления. Как указано выше, средство передачи инициирующего сигнала может просто содержать запальные провода, присоединенные к входным выводам схемы замедления. Предпочтительно, однако, детонатор используется как часть неэлектрической системы и средство передачи инициирующего сигнала содержит конец неэлектрической линии передачи сигнала (например, ударную трубку) и преобразователь для преобразования неэлектрического инициирующего сигнала в электрический сигнал в соответствии с приведенным здесь описанием. В описанном варианте воплощения детонатор 200 с замедлением присоединен к средству неэлектрического инициирующего сигнала, которое содержит в описываемом случае ударную трубку 210, усиливающий заряд 220 и модуль 158 преобразователя. Следует понимать, что в качестве линии передачи неэлектрического сигнала, помимо ударной трубки, могут также использоваться такие проводники, как детонирующий шнур, детонирующий шнур низкой энергии, ударная трубка с низкой скоростью и т.п. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, ударная трубка содержит полую пластмассовую трубку, внутренние стенки которой покрыты взрывчатым веществом так, что при воспламенении ударная волна низкой энергии проходит через трубку. См. , например, американский патент 4607573, авторов Туресон и др. (Thureson et al. ) от 26 августа 1986 г. Ударная трубка 210 закреплена в корпусе 212 с помощью втулки 214 адаптера, которая окружает трубку 210. Корпус 212 обжат вокруг втулки 214 в местах обжима 216, 216а, с тем чтобы закрепить ударную трубку 210 в корпусе 212 и для формирования герметичного соединения, защищающего от воздействия окружающей среды, между корпусом 212 и внешней поверхностью ударной трубки 210. Сегмент 210а ударной трубки 210 проходит внутрь корпуса 212 и оканчивается на конце 210b в непосредственной близости или в непосредственном контакте с антистатическим изолирующим колпачком 218.
Изолирующий колпачок 218 закреплен внутри корпуса 212 и изготовлен из полупроводникового материала, например, полимерного материала с углеродным наполнителем, так что он формирует проводящий заземляющий путь от ударной трубки 210 на корпус 212 для рассеивания какого-либо статического электричества, которое может проходить вдоль ударной трубки 210. Такие изолирующие колпачки хорошо известны в данной области техники. См., например, американский патент 3981240 автора Гладден (Gladden) от 21 сентября 1976 г. Усиливающий заряд 220 низкой энергии расположен в непосредственной близости к антистатическому изолирующему колпачку 218. Как лучше всего видно на фиг.6В, антистатический изолирующий колпачок 218 содержит, как хорошо известно в данной области техники, в общем цилиндрический корпус (который обычно выполняется в форме усеченного конуса так, что конец с большим диаметром располагается по направлению к открытому концу 212а корпуса 212), который разделен тонкой, прорываемой мембраной 218b между входной камерой 218а и выходной камерой 218с. Конец 210b ударной трубки 210 (фиг.6А) входит во входную камеру 218а (ударная трубка 210 не показана на фиг.6В для ясности изображения). Выходная камера 218с представляет собой воздушное пространство или зазор между концом 210b ударной трубки 210 и усиливающим зарядом 220, который расположен таким образом, что образуется взаимная передача сигнала друг другу. При работе сигнал ударной волны, выходящий из конца 210b ударной трубки 210, разрывает мембрану 218b, проходит через зазор, который образуется в выходной камере 218с, и инициирует усиливающий заряд 220.
Усиливающий заряд 220 содержит малое количество первичного взрывчатого вещества 224, такого как азид свинца (или подходящего вторичного взрывчатого вещества, такого как BNCP), который располагается внутри усиливающей трубки 232, поверх которой располагается первый элемент буфера 226 (не показан на фиг. 6А для ясности описания). Первый элемент буфера 226, который имеет кольцевую конфигурацию, за исключением тонкой центральной мембраны, располагается между изолирующим колпачком 218 и взрывчатым веществом 224 и служит для защиты взрывчатого вещества 224 от давления, которое прикладывается на него во время производства.
Изолирующий колпачок 218, первый элемент буфера 226 и усиливающий заряд 220 могут быть удобно размещены в трубке 232 усилителя, как показано на фиг. 6В. Внешняя поверхность изолирующего колпачка 218 находится в проводящем контакте с внутренней поверхностью трубки 232 усилителя, которая, в свою очередь, располагается с обеспечением проводящего контакта с корпусом 212 для обеспечения пути электрического тока для статического электричества, которое разряжается из ударной трубки 210. В общем, трубка 232 усилителя вставляется в корпус 212, и корпус 212 зажимается таким образом, чтобы удерживать трубку 232 усилителя в нем, а также для защиты содержимого корпуса 212 от воздействия окружающей среды.
Непроводящий буфер 228 (не показан на фиг.6А для облегчения иллюстрации), который обычно имеет толщину 0, 015 дюйма (0,038 см), размещен между усиливающим зарядом 220 и модулем 158 преобразователя, предназначен для электрической изоляции модуля 158 преобразователя от усиливающего заряда 220. Модуль 158 преобразователя содержит пьезоэлектрический преобразователь (не показан на фиг. 6А), который расположен с возможностью передачи силы со стороны усиливающего заряда 220 и, таким образом, может преобразовывать выходную силу усиливающего заряда 220 в импульс электрической энергии. Модуль 158 преобразователя при работе соединен с электронным модулем 154, как изображено на фиг.5. Средство передачи инициирующего сигнала, содержащее сегмент ударной трубки, усиливающий заряд 220 и модуль 158 преобразователя, служит для передачи на схему 10 замедления в электрической форме неэлектрического инициирующего сигнала, принятого через ударную трубку 210, как описано ниже.
В качестве оболочки для инициирующих выходных зарядов детонатор 200 содержит кроме корпуса 212 устанавливаемую в случае необходимости стальную трубку 121 с открытыми концами, которая содержит электронный модуль 154. Электронный модуль 154 содержит на открытом конце выходной инициирующий элемент 146 (показан на фиг.5), который содержит часть выходного средства для детонатора. В непосредственной близости к инициирующему элементу электронного модуля 154 располагается второй элемент буфера 242, который аналогичен первому элементу буфера 226. Второй элемент буфера 242 отделяет выходной конец электронного модуля 154 от остального выходного средства детонатора, которое содержит выходной заряд 244, запрессованный в закрытый конец 212b корпуса 212. Выходной заряд 244 содержит вторичное взрывчатое вещество 244b, которое чувствительно к инициирующему элементу электронного модуля 154 и которое имеет достаточную ударную силу для детонации литых усиливающих взрывчатых веществ, динамита и т.д. Выходной заряд 244 может в случае необходимости содержать относительно малый заряд первичного взрывчатого вещества 244а, предназначенный для инициирования вторичного взрывчатого вещества 244b, но первичное взрывчатое вещество 244а может быть исключено, если инициирующий заряд электронного модуля 154 имеет достаточную выходную силу для инициирования вторичного взрывчатого вещества 244b. Вторичное взрывчатое вещество 244b имеет достаточную силу удара, чтобы разорвать корпус 212 и вызвать детонацию литого усиливающего взрывчатого вещества, динамита и т.д., расположенного поблизости, чтобы была обеспечена передача сигнала от детонатора 200. Выходное средство для детонатора содержит такие компоненты, включая реактивные материалы, например, взрывчатые вещества, которые инициируются разрядом средства накопления на выходные выводы. Таким образом, в варианте воплощения, изображенном на фиг.5, 6А и 6В, выходное средство детонатора содержит инициирующий элемент 146, инициирующий заряд 146а и выходной заряд 244.
При использовании детонатора неэлектрический инициирующий сигнал, проходящий вдоль ударной трубки 210, выходит на ее конце 210b. Сигнал прорывает мембрану 218b изолирующего колпачка 218 и первый элемент буфера 226, чтобы активировать усиливающий заряд 220, который инициирует первичное взрывчатое вещество 224. Первичное взрывчатое вещество 224 вырабатывает ударную волну детонации, которая прикладывает выходное усилие на пьезоэлектрический генератор в модуле 158 преобразователя. Пьезоэлектрический генератор располагается так, что обеспечивается передача силы от усиливающего заряда 220, и при этом он преобразует выходную силу в электрический выходной сигнал в виде импульса электрической энергии, которая принимается электронным модулем 154. Как указано выше, в электронном модуле 154 накапливается импульс электрической энергии и после заранее заданного интервала замедления освобождает или передает эту энергию на выходное средство детонатора. В описываемом варианте воплощения этот заряд освобождается на инициирующем элементе, который инициирует выходной заряд 244. Выходной заряд 244 разрывает корпус 212 и создает выходной взрывчатый сигнал, который может использоваться для инициирования другого взрывчатого устройства, как хорошо известно в данной области техники.
Хотя настоящее изобретение было подробно описано со ссылкой на конкретный вариант его воплощения, очевидно, что после прочтения вышеописанного для специалистов в данной области техники могут быть очевидны различные варианты воплощения описанного, которые находятся в соответствии с прилагаемой формулы изобретения.
Реферат
Изобретение относится к области взрывных работ и касается детонаторов с электронным замедлением, в частности к программируемым детонаторам с электронным замедлением инициирования. Технический результат - повышение надежности работы детонаторов. Схема электронного замедления, используемая для инициирования с замедлением детонаторов, содержит генератор, программируемую схему таймера и схему управления работой. Генератор вырабатывает тактовый сигнал, который определяется скоростью разрядки конденсатора по отношению к опорному напряжению REF. Второй конденсатор заряжается до напряжения, которое превышает REF, и, когда напряжение первого конденсатора падает ниже значения REF, вырабатывается внутренний сигнал, и конденсаторы переключаются таким образом, что первый конденсатор заряжается, в то время как второй конденсатор разряжается. Фиксатор вырабатывает импульсы тактовой частоты в соответствии с внутренними сигналами. Схема программируемого таймера включает счетчик колебаний и группу программирования, которая устанавливает величину подсчета в счетчик при инициировании. Каждый каскад счетчика имеет отдельные входы для сигналов установки в единицу и в ноль. Группа программирования имеет схему установки в единицу и схему установки в ноль для каждого каскада счетчика. Каждая схема установки в ноль вырабатывает сигнал фиксированной длительности, и каждая схема установки в единицу может вырабатывать сигнал с двумя различными величинами длительности, причем одна из них превышает сигнал установки в ноль. Во время программирования при загрузке счетчика выбирается короткий или длинный сигнал установки в единицу. Длительность сигнала установки в единицу или сигнала установки в ноль определяет состояние каскада счетчика. Схема управления работой управляет логическим элементом, который разрешает импульсам генератора увеличивать подсчет счетчика, но закрывает логический элемент в случае временного исчезновения напряжения питания, таким образом предотвращая повторное инициирование таймера. 6 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
