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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer taktgesteuerten
elektrischen oder elektronischen Einheit, insbesondere eines Mikrocontrollers,
wobei die elektrische oder elektronische Einheit mit elektrischen
oder elektronischen Bauelementen verbunden ist und funktionell zusammenwirkt,
wobei eine von der elektrischen oder elektronischen Einheit auszuführende
Funktion einen Energiebedarf hat, wobei die Einheit abhängig
von dem Energiebedarf der Funktion in einem ersten Betriebsmodus
mit einer ersten Taktfrequenz oder in mindestens einem zweiten Betriebsmodus
mit einer, von der ersten Taktfrequenz verschiedenen, zweiten Taktfrequenz
betrieben wird.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines
Messgerätes der Prozessautomatisierungstechnik mit einer
Mess- und/oder Betriebselektronik, wobei das Messgerät
einen Messaufnehmer zur Aufnahme einer chemischen und/oder physikalischen
Messgröße aufweist, wobei die Mess- und Betriebselektronik
einen Mikrocontroller aufweist, der zum Betreiben des Messgerätes
dient, wobei der Mikrocontroller aus mehreren Komponenten besteht,
wobei der Mikrocontroller oder wenigstens eine der Komponenten des
Mikrocontrollers abhängig von dem Energiebedarf einer Funktion
des Mikrocontrollers oder der Komponente des Mikrocontrollers in
einem ersten Betriebsmodus mit einer ersten Taktfrequenz oder in
mindestens einem zweiten Betriebsmodus mit einer, von der ersten Taktfrequenz
verschiedenen, zweiten Taktfrequenz betrieben wird,
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Aus
dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Mikrocontrollern bekannt,
und auch in der modernen Prozess- und Automatisierungstechnik findet
sich eine große Reihe von Messgeräten, welche mit
einem Mikrocontroller ausgestattet sind. Die verwendeten Mikrocontroller
sind meist für die Kontrolle oder das Betreiben eines speziellen
Prozesses ausgelegt.
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Unter
einem Mikrocontroller versteht man eine aus wenigstens einem Mikroprozessor
und anderen elektronischen Baugruppen auf einem Mikrochip zusammengefasste
elektrische oder elektronische Einheit. Bei den elektronischen Baugruppen handelt
es sich bspw. um eine Speichereinheit und einen Taktgeber, sowie
um digitale oder analoge Ein- oder Ausgabegeräte. Ein Mikrocontroller
bietet den Vorteil, dass bspw. ein von einem Mikrocontroller betriebenes
Messgerät oft mit nur wenigen externen d. h. außerhalb
des Mikrocontrollers liegenden Bauteilen auskommt.
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Heutzutage
können Mikrocontroller mit externen Taktfrequenzen von
bis zu 300 MHz betrieben werden. Die externe Taktfrequenz gibt dem
Mikrocontroller vor, wann der nächste (Maschinen-)Befehl ausgeführt
werden soll. Diese Taktfrequenz dient auch der Synchronisation zwischen
den verschiedenen an einem Prozess beteiligten elektronischen Baugruppen.
Der intern von dem Mikrocontroller verwendete Takt kann sich dabei
jedoch von dem extern anliegenden Takt unterscheiden. Zudem können
an den einzelnen Baugruppen unterschiedliche Taktfrequenzen anliegen.
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Um
den unterschiedlichen Leistungsanforderungen zu genügen,
sind Mikrocontroller mit verschiedenen Betriebsmodi u. a. Stromsparmodi
ausgestattet. In der internationalen Patentanmeldung
WO 93/37482 wird bspw. die zentrale
Recheneinheit im sog. Idle Mode vom Taktversorgungssystem abgekoppelt.
Im sog. Power Down Mode sind sowohl der Mikroprozessor als auch
sämtliche Peripherieeinheiten vom Systemtakt abgekoppelt
und befinden sich im sog. Stand-by Betrieb.
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Unter
einem Ruhestrom versteht man den Strom, den der Mikrocontroller
aufnimmt, wenn der Mikrocontroller keine Operationen ausführt – wenn von
dem Mikrocontroller also kein Strom entnommen wird. Der Ruhestrom
des Mikrocontrollers ist ungleich Null, da ein bestimmter Grundzustand
aufrechterhalten werden muss (z. B. RAM-Inhalte). Der Ruhestrom eines
Mikrocontrollers beträgt je nach Typ und Auslegung des
Mikrocontrollers 10 bis 150 μA, während typischerweise
ein maximaler Ausgangsstrom von 125 mA erreicht werden kann.
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Bedingt
durch die Flanken der von der Taktfrequenz vorgegebenen Spannungsimpulse
treten Stromspitzen und elektro-magnetische Störungen in den
benachbarten Bauteilen und im Mikrocontroller. Die Stromspitzen
werden dabei u. a. durch die Taktflanken des Systemtakts erzeugt.
Die Größe der auftretenden Störung ist
dabei im Wesentlichen von der Steilheit und der Höhe der
Taktflanken bedingt. Im Stand der Technik sind bereits Verfahren
zur Reduzierung der durch die Flanken der Taktpulse erzeugten Störungen
bspw. aus der europäischen Patentanmeldung
EP0715408A1 bekannt geworden.
Aus der Patentanmeldung
DE
4442403 A1 ist ein Taktgenerator zur Erzeugung eines störstrahlungsarmen
Systemtakts bekannt geworden. Der Taktgenerator erzeugt einen Rechtecktakt
mit 5 MHz. Die positiven und negativen Taktflanken bewirken in den
taktgesteuerten Einrichtungen jeweils eine Stromspitze, so dass
diese mit einer Frequenz von 10 MHz auftreten.
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Eine
weitere Ursache der Störungen in den taktgesteuerten Einheiten
sind insbesondere steilflankige Stromspitzen. Diese Stromspitzen
entstehen bspw. durch die Aktivierung einer Vielzahl von Schaltstufen,
z. B. bei Prozessoren oder Mikrocontrollern mit MOS-Schaltungen
durch die Auf- oder Entladung der betroffenen Gate-Kapazitäten.
Je höher dabei die Taktfrequenz ist, desto schneller müssen
die internen Schaltvorgänge ablaufen. Dies wird durch eine
niederohmige Schaltungsauslegung erreicht. Je niederohmiger jedoch
die Schaltung wird, desto größer werden die Stromspitzen.
Mit zunehmender Schaltungskomplexität nimmt die Anzahl
der jeweils zu aktivierenden Schaltstufen und damit die Höhe
der Stromspitzen zu. Die Pufferung der sehr schmalen Laststromspitzen
durch externe Abblockkondensatoren ist aus Kostengründen
und wegen der üblichen Gehäusebauarten für
die integrierten Schaltungen nur unvollkommen möglich.
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Ein
Wechsel des Betriebsmodus geht üblicherweise mit einem
Wechsel der Taktfrequenz einher, mit der der Mikrocontroller betrieben
wird. Insbesondere bei einem Wechsel zwischen verschiedenen Betriebsmodi
eines Mikrocontrollers kann es zu Stromspitzen kommen, die die Schaltung
physikalisch beschädigen oder einen Informationsverlust verursachen.
Physikalische Schäden an der Schaltung werden von Stromspitzen
deren Stromstärke über dem maximalen für
den Mikrocontroller vorgesehenen Grenzwert liegt, insbesondere von über
150 mA, verursacht. Fehler bei der Datenverarbeitung insbesondere
bei der Digitalisierung und Speicherung treten hingegen schon bei
geringeren Störströmen oder Störspannungen
auf.
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Von
den Störungen sind vor allem die analogen bspw. von einem
Messwertaufnehmer stammenden insbesondere analogen Messsignale betroffen. Störungen
wirken sich hierbei besonders unangenehm aus, weil die Störungen
das Nutzsignal verfälschen können, da dessen Signalamplituden
noch sehr klein sind. Eine Überlagerung von zusätzlichen Störsignalen
kann sich daher sofort bemerkbar machen. Messsignale können
dabei durch Störsignale wie Rauschen oder Interferenz kaschiert
oder verfälscht werden.
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Störungen
durch Lastwechsel, wie sie bei einem Wechsel der Taktfrequenz auftreten,
können die Funktion von analogen Schaltungen wie bspw.
Operationsverstärker-Schaltungen wie Verstärker-,
Filter- oder Komparatorschaltungen beeinflussen. Vor allem Kommunikationsschaltungen
die eine Lastmodulation zur Datenübertragung verwenden,
sind aufgrund eines solchen Lastwechsels störanfällig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen,
dass Störungen, hervorgerufen durch eine Änderung
der Taktfrequenz mit der die taktgesteuerte elektrische Einheit betrieben
wird, reduziert.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer taktgesteuerten
elektrischen oder elektronischen Einheit und ein Verfahren zum Betreiben
eines Messgerätes gelöst.
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Hinsichtlich
der taktgesteuerten elektrischen oder elektronischen Einheit wird
die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass ein Übergang von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten
Betriebsmodus erfolgt, indem die elektrische oder elektronische
Einheit mit mindestens einer Übergangs-Taktfrequenz betrieben
wird, die zwischen der ersten und der zweiten Taktfrequenz liegt.
Die Übergangs-Taktfrequenzen verkleinern den Sprung der
Taktfrequenz zwischen der ersten Taktfrequenz im ersten Betriebsmodus
und der zweiten Taktfrequenz im zweiten Betriebsmodus. Durch die Übergangs-Taktfrequenz
tritt bei einem Wechsel vom ersten in den zweiten Betriebsmodus
kein abrupter Sprung von der ersten Taktfrequenz zur zweiten Taktfrequenz
auf. Vielmehr wird durch die Übergangs-Taktfrequenz ein
störungsarmer Übergang vom ersten in den zweiten
Betriebsmodus erreicht. Der von der taktgesteuerten elektrischen
oder elektronischen Einheit benötigte Strombedarf wird
dadurch stufenweise angehoben. Dadurch verringern sich die durch
einen abrupten Wechsel der Taktfrequenz bedingten Störsignale
in den benachbarten elektrischen oder elektronischen Bauelementen
und/oder in der elektrischen oder elektronischen Einheit. Durch
den geringeren Lastwechsel verringern sich auch die Störsignale,
welche zu dem durch den Lastwechsel hervorgerufenen Strom- oder
Spannungsschwankungen führen.
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Maßnahmen,
die der passiven Abschirmung/Verkleidung oder der Verflachung der
Flanken steiler Stromspitzen dienen, können auf vorteilhafte Weise
hinzugefügt werden und eine weitere Reduzierung der Störsignale
bewirken.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Übergangs-Taktfrequenz
erhöht bzw. verringert, bis die zweite Taktfrequenz erreicht
wird. Dabei kann die Übergangs-Taktfrequenz kontinuierlich
oder diskret erhöht bzw. verringert werden. Weiterhin ist
es vorteilhaft die Übergangs-Taktfrequenz monoton steigend
bzw. fallend zu erhöhen bzw. zu verringern. Zudem werden
durch die Verwendung mehrerer Übergangs-Taktfrequenzen,
die durch den Lastwechsel bedingten Störsignale weiter
verringert. Durch Verwenden mehrerer Übergangs-Taktfrequenzen
wird der von der taktgesteuerten elektrischen oder elektronischen
Einheit benötigte Strombedarf bzw. der Energie- oder der Leistungsbedarf
stufenweise erhöht. Eine Taktfrequenz entspricht dabei
einem vorgesehen Energie- oder Leistungsbedarf der taktgesteuerten
elektrischen oder elektronischen Einheit.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Übergangs-Taktfrequenz
schrittweise geändert. Ein Mikrocontroller beispielsweise.
verfügt nur über eine begrenzte Anzahl von einstellbaren
Taktfrequenzen, so dass ein Übergang von einer ersten in eine
zweite Taktfrequenz lediglich in diskreten Schritten erfolgen kann.
Als Übergangs-Taktfrequenz können dabei Taktfrequenzen,
insbesondere von bereits vorhandenen Betriebsmodi, dienen, die zwischen
der ersten und der zweiten Taktfrequenz liegen. Alternativ können
die als Übergangs-Taktfrequenz verwendeten Taktfrequenzen
lediglich beim Übergang vom ersten in den zweiten Betriebsmodus
eingesetzt werden.
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In
einer Weiterbildung wird die taktgesteuerte elektrische oder elektronische
Einheit während des Übergangs von dem ersten in
den zweiten Betriebsmodus mit Übergangs-Taktfrequenzen
betrieben, die sich der zweiten Taktfrequenz annähern.
Mit zunehmender Anzahl und optimiertem Verlauf der verwendeten Übergangs-Taktfrequenz
wird auch die Störwirkung des Lastwechsels minimiert. Der
optimale Verlauf der Übergangs-Taktfrequenzen ist dabei von
der konkreten Auslegung der elektrischen oder elektronischen Einheit
bzw. der die Einheit umgebenden elektrischen oder elektronischen
Bauelemente abhängig.
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In
einer Ausgestaltung besteht die taktgesteuerte elektrische oder
elektronische Einheit aus mehreren Komponenten, wobei die taktgesteuerte elektrische
oder elektronische Einheit oder die Komponenten der taktgesteuerten
elektrischen oder elektronischen Einheit im zweiten Betriebsmodus
wenigstens teilweise eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Zur
Daten- oder Signalverarbeitung kann die taktgesteuerte elektrische
oder elektronische Einheit aus verschiedenen Komponenten bestehen.
Die auszuführende Funktion der taktgesteuerten elektrischen
oder elektronischen Einheit oder der Komponenten wird oftmals nicht
oder nicht in vollem Umfang bspw. während eines Daten-
oder Signalverarbeitungsprozesses benötigt. Daher kann
die taktgesteuerte elektrische oder elektronische Einheit oder die Komponenten
der Einheit im zweiten Betriebsmodus abhängig von bspw.
dem Energiebedarf oder der Dringlichkeit der auszuführenden
Funktion wenigstens teilweise ein- oder ausgeschaltet werden.
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In
einer vorteilhaften Umsetzung wird die von der taktgesteuerten elektrischen
oder elektronischen Einheit auszuführende Funktion während
des Übergangs von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus mit
der Übergangs-Taktfrequenz ausgeführt. Dadurch
kann eine Energie-, Zeit- und/oder Leistungsersparnis beim Ausführen
von Funktionen erreicht werden. Die zur Reduzierung von Störsignalen
eingesetzte Übergangs-Taktfrequenz kann auch zum Ausführen
einer Funktion der Einheit verwendet werden. Von Vorteil ist ferner,
dass die taktgesteuerte elektrische oder elektronische Einheit nicht
oder nur kurzzeitig mit einer höheren Taktfrequenz, weiche auch
einen höheren Energieverbrauch aufweist, betrieben werden
muss.
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In
einer Fortbildung wird der Funktion eine Priorität zugeordnet,
die den Energiebedarf der taktgesteuerten elektrischen oder elektronischen
Einheit bestimmt. Abhängig von der der Funktion zugewiesenen
Priorität wird die Taktfrequenz des zweiten Betriebsmodus
bestimmt. Dadurch können Funktionen, bspw. ihrer Wichtigkeit
oder Dringlichkeit nach, Taktfrequenzen zugewiesen und somit ein
vorteilhaftes Leistungsmanagement der taktgesteuerten elektrischen
oder elektronischen Einheit betrieben werden.
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In
einer weiteren Fortbildung wird der zweite Betriebsmodus mit der
zweiten Taktfrequenz entsprechend der Priorität der Funktion
bestimmt. Auf diese Weise kann einer Funktion ihrer Priorität
entsprechend Leistung zur Verfügung gestellt werden und
bspw. Berechnungen schneller oder energiesparender vorgenommen werden.
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Vor
allem beim Wechsel in den aus dem Stromspar-Betriebsmodus in einen
Arbeitsmodus treten große Taktfrequenzdifferenzen und damit
Störsignale bspw. in Form von insbesondere steilflankigen
Stromspitzen auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der erste und/oder zweite Betriebsmodus ein Stromsparmodus.
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Hinsichtlich
des Messgerätes wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass ein Übergang von dem ersten Betriebsmodus
in den zweiten Betriebsmodus erfolgt, indem der Mikrocontroller oder
die mindestens eine Komponente des Mikrocontrollers mit mindestens
einer Übergangs-Taktfrequenz betrieben wird, die zwischen
der ersten und der zweiten Taktfrequenz liegt. Der Lastwechsel durch
die Änderung der Taktfrequenz wird dadurch gering gehalten.
Ein aus der Messgröße abgeleitetes elektrisches
Messsignal kann somit störungsfrei bzw. -arm an den Mikrocontroller übermittelt
und verarbeitet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die chemische
und/oder physikalische Messgröße durch den Messaufnehmer
in ein der Messgröße entsprechendes analoges elektrisches Signal
umgewandelt. Insbesondere das analoge (Mess-)Signal, welches oftmals
eine kleine Signalamplitude aufweist, wird durch die bei einem Lastwechsel
entstehenden Störsignale beeinträchtigt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Mikrocontroller
des Messgerätes während des Übergangs
mit Übergangs-Taktfrequenzen betrieben, die sich der zweiten
Taktfrequenz annähern. Durch das bspw. schrittweise Annähern
der Übergangstaktfrequenzen an die zweite Taktfrequenz werden
durch den Lastwechsel auftretenden Störsignale minimiert.
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In
einer Ausgestaltung wird das analoge elektrische Signal durch die
Mess- und Betriebselektronik in ein digitales Signal umgewandelt
und in einer weiteren Ausgestaltung wird das der Messgröße entsprechende
analoge oder digitale Signal von dem Mikrocontroller gespeichert
und/oder (weiter-)verarbeitet. Besonders bei der Digitalisierung
und der elektrischen oder elektronischen Speicherung der Messgröße
können Fehler durch Störsignale auftreten und
das Messsignal bzw. Messergebnis verfälschen oder eine
Funktion des Messgerätes stören.
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Vorteilhafterweise
wird die Übergangs-Taktfrequenz in Abhängigkeit
der zweiten Taktfrequenz bestimmt. Die Übergangs-Taktfrequenz
kann dabei so gewählt werden, dass der durch einen Wechsel des
Betriebsmodus verursachte Lastwechsel nur geringe Störeffekte,
insbesondere den Mikrocontroller oder die Bauelemente, mit denen
die Einheit bzw. der Mikrocontroller verbunden ist und funktionell
zusammenwirkt, auslöst. Zur Unterdrückung von
Störsignalen kann der Übergang zwischen dem ersten
und dem zweiten Betriebsmodus in besonders vorteilhafter Weise bspw.
in Form von Stufen insbesondere unterschiedlicher Schritthöhe
erfolgen. Die optimale Form des Übergangs ist abhängig
von den konkreten elektrischen oder elektronischen Spezifikationen
der taktgesteuerten elektrischen oder elektronischen Einheit und
von den die Einheit umgebenden Bauelementen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines Mikrocontrollers,
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2:
ein Diagramm eines Verlaufs des Systemtakts und des Strombedarfs
während des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3:
ein weiteres Diagramm eines Verlaufs des Systemtakts während
des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4:
eine schematische Darstellung eines Schaltkreises mit einem Temperaturfühler
auf einer Elektronikplatine.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Mikrocontrollers μC,
der bspw. in ein Messgerät integriert ist. Der Mikrocontroller μC
besteht dabei aus einem Prozessor (Reduced Instruction Set Computing) „RISC”,
einer Einheit zur Erzeugung des Systemtakts „Clock System”,
einer Speichereinheit für Daten und Programme „Flash/ROM”,
einer Einheit zum Zwischenspeichern von Daten „RAM”,
einer sog. „Watchdog” Schaltung und einer als „Peripheral” bezeichneten
Einheit. Die Bauteile sind direkt oder über den Prozessor
mit der Einheit zur Erzeugung des Systemtakts „Clock System” verbunden.
Die „Peripheral” Einheit ist bspw. ein Ein- oder
Ausgabegerät über das der Mikrocontroller μC
mit anderen elektrischen oder elektronischen Bauteilen kommuniziert. Die übliche
Funktion und Funktionsweise sowie das Zusammenwirken dieser Bauteile
sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Während
des Betriebs in einem Betriebsmodus werden der Prozessor des Mikrocontrollers μC
oder die Komponenten des Mikroprozessors mit einer Taktfrequenz
betrieben. Die Taktfrequenzen mit der die o. g. Komponenten des Mikrocontrollers μC
betrieben werden, können sich dabei voneinander unterscheiden.
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Hauptquelle
für o. g. Störungen sind die hohen Stromspitzen,
die bei der synchronen Signalverarbeitung direkt mit dem Systemtakt
verkoppelt sind, durch den sehr viele Schaltvorgänge gleichzeitig ausgelöst
werden. Bei Schaltungen, die mit einer Komplementär-Schaltungstechnik
CMOS, wie z. B. der Prozessor „RISC”, arbeiten,
werden durch die Taktflanken die Gate-Kapazitäten der angesteuerten Schalttransistoren
aufgeladen oder entladen. Dabei löst die Arbeitsflanke
des Systemtaktes alle synchronen Schaltvorgänge aus, denen
dann während dieses Arbeitstaktes noch mehr oder weniger
viele asynchron ablaufende Schaltvorgänge folgen. Alle
Schaltvorgänge müssen rechtzeitig vor der neuen
Arbeitsflanke des Systemtaktes abgeschlossen sein. Gleichzeitig
mit dem Auf- und Entladen der Gate-Kapazitäten werden auch
Diffusions- und Leitungskapazitäten auf- oder entladen.
Alle synchron ausgelösten Auf- oder Entladungen addieren
sich auf den internen und externen Takt- und Versorgungsleitungen
zu steilen Stromspitzen, die über die externen Versorgungsleitungen
aber auch über die extern angeschlossenen Datenleitungen
elektromagnetische und kapazitive Störsignale erzeugen.
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2 zeigt
den Taktpegel und den Strombedarf einer taktgesteuerten elektrischen
oder elektronischen Einheit während des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Taktpegel und der Strombedarf sind als Funktion der Zeit aufgetragen.
Der Taktpegel entspricht dabei der maximalen Amplitude der pulsierenden
Spannung, die als Takt verwendet wird. Der Taktpegel der ersten
Taktfrequenz, der zweiten Taktfrequenz und der Übergangs-Taktfrequenz
ist dabei im Wesentlichen gleich hoch.
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Im
ersten Betriebsmodus wird die Einheit mit einer ersten, rechteckförmigen
Taktfrequenz betrieben. Während des Übergangs
in den zweiten Betriebsmodus wird die Einheit mit einer rechteckförmigen Übergangs-Taktfrequenz
betrieben. Im zweiten Betriebsmodus wir die Einheit mit der ebenfalls
rechteckförmigen, zweiten Takt-Frequenz betrieben. Beim Übergang
vom zweiten Betriebsmodus zurück in den ersten Betriebsmodus
wird die Einheit erneut mit der Übergangs-Taktfrequenz
betrieben.
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Zunächst
befindet sich die Einheit in dem ersten Betriebsmodus. Kommt es
zu einem z. B. höheren Datenaufkommen, so dass zur Bearbeitung mehr
Schaltvorgänge der Einheit benötigt werden, so wird
in den zweiten Betriebsmodus mit der zweiten Betriebsfrequenz gewechselt.
Während des Übergangs in den zweiten Betriebsmodus
wird die Einheit mit der Übergangs-Taktfrequenz betrieben.
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Bei
dem ersten Betriebsmodus kann es sich um einen Stromsparmodus oder
einen Betriebsmodus einer Funktion der elektrischen oder elektronischen
Einheit mit einem geringen Energiebedarf handeln. Die zweite Taktfrequenz
des zweiten Betriebsmodus ist höher als die erst Taktfrequenz
und beträgt im in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel ca. das Fünffache der ersten
Taktfrequenz. Während des Übergangs von dem ersten
in den zweiten Betriebsmodus wird eine Übergangs-Taktfrequenz
eingestellt, die zwischen der ersten und zweiten Taktfrequenz liegt.
In 2 beträgt die Übergangs-Taktfrequenz
ca. das Doppelte der ersten Taktfrequenz.
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Die
gestrichelte Linie in 2 repräsentiert den
von der Taktfrequenz abhängigen Strombedarf der taktgesteuerten
elektrischen oder elektronischen Einheit. Im ersten Betriebsmodus
ist der Strombedarf am geringsten und liegt bei ca. 0,15 und im
zweiten Betriebsmodus liegt der Strombedarf bei ca. 4,5. Während
des Übergangs vom ersten in den zweiten Betriebsmodus mit
der Übergangs-Taktfrequenz beträgt der Stromverbrauch
ca. 2,5. Analog zum Strombedarf in Abhängigkeit von der
Taktfrequenz verläuft der Energie- bzw. Leistungsbedarf
der taktgesteuerten elektrischen oder elektronischen Einheit.
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Die Übergangs-Taktfrequenz
ist bspw. die Taktfrequenz eines dritten Betriebsmodus dessen Taktfrequenz
zwischen der ersten und der zweiten Taktfrequenz liegt. Alternativ
kann die Übergangs-Taktfrequenz nur zur Verminderung der
Auswirkungen eines Lastwechsels bei einem Übergang von
dem ersten in den zweiten Betriebsmodus eingesetzt werden.
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3 zeigt
den Verlauf des Systemtakts, bzw. der Taktstufen, während
des erfindungsgemäßen Verfahrens als Funktion
der Zeit. Eine Taktstufe entspricht dabei im Wesentlichen einer
an der elektrischen oder elektronischen Einheit eingestellten Taktfrequenz.
Zunächst befindet sich die taktgesteuerte elektrische oder
elektronische Einheit in einem Stromsparmodus oder außer
Betrieb. Zum Ausführen einer Funktion der elektrischen
oder elektronischen Einheit wird die elektrische oder elektronische Einheit
bspw. in einen Rechenmodus umgeschaltet. Dabei wird die Taktfrequenz
schrittweise beginnend bei der Taktstufe 0 über die Taktstufen
1, 2, 3, 4 bis zur maximalen Taktstufe 5 hochgetaktet. Die stufenweise
Erhöhung führt dazu, dass nur kleine Stromspitzen
aufgrund des Lastwechsels auftreten. Außerdem muss bspw.
bei geringen Betriebstemperaturen nicht unbedingt auf die maximale
Taktfrequenz geschaltet werden. Der auszuführenden Funktion
kann eine Priorität zugewiesen werden, so dass nur bis Taktstufe
4 anstatt bis zur maximalen Taktstufe 5 hochgetaktet wird.
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Bei
einem Übergang von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus
wird die elektrische oder elektronische Einheit während
einer ersten Zeitspanne mit der zur Taktstufe 1 gehörenden Übergangs-Taktfrequenz
betrieben. Anschließend wird die Einheit während
einer zweiten Zeitspanne mit der zur Taktstufe 2 gehörenden Übergangs-Taktfrequenz betrieben
usw. Im gezeigten Diagramm sind die jeweiligen Zeitspannen, mit
der die Einheit mit einer Übergangs-Taktfrequenzen betrieben
wird, kürzer als die Zeitspanne mit der die Einheit im
zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Dies kann aber abhängig
von der auszuführenden Funktion und den Leistungsvorgaben
variieren. Bspw. kann die Zeitspanne, während der die Einheit
mit den Übergangs-Taktfrequenzen betrieben wird, gleich
lang oder länger sein, als die Zeitspanne in der die Einheit
mit der zweiten Taktfrequenz betrieben wird. Dabei kann auch die Anzahl
der verwendeten Taktstufen variiert werden.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines elektrischen und/oder elektronischen
Schaltkreises auf einer Platine P. Auf der Platine befindet sich
eine Temperaturschaltung T in die ein Temperaturfühler – nicht
gezeigtintegriert ist. Die Temperaturschaltung T mit dem Temperaturfühler
kann geg. nachträglich auf die Platine P aufgebracht werden. Der
Temperaturfühler misst die Umgebungstemperatur bzw. die
Temperatur auf der Platine. Weiterhin ist die Platine P mit einem
Mikrocontroller μC und mehreren miteinander verbundenen
und funktionell zusammenwirkenden Funktionsblöcken F1,
F2 und F3 bestückt. Der Strombedarf des Mikrocontrollers μC und
der Funktionsblöcke F wird von der Taktfrequenz vorgegeben,
mit der der Schaltkreis betrieben wird. Die Taktfrequenz wiederum
kann abhängig von der gemessenen Umgebungstemperatur eingestellt
werden. Dabei können der Mikrocontroller μC und
die verschiedenen Funktionsblöcke F1, F2 und F3 abhängig
von der Umgebungstemperatur mit unterschiedlichen Taktfrequenzen
betrieben werden.
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Der
Mikrocontroller μC und die Funktionsblöcke F1,
F2, F3 führen bspw. Funktionen oder Berechnungen eines
Messgerätes zur Bestimmung eines Messwertes einer chemischen
und/oder physikalischen Messgröße aus. Dabei werden
häufig Anforderungen an die maximal zulässige
elektrische Leistung des Mikrocontrollers μC über
einen großen Temperaturbereich gestellt. Eine Verringerung
der Taktfrequenz bspw. des Mikrocontrollers μC reduziert
den elektrischen Leistungsbedarf, aber auch die Rechengeschwindigkeit.
Um den verschiedenen an den Mikrocontroller μC und die
Schaltung gestellten Anforderungen gerecht zu werden, wird der Schaltung
ein maximal zulässiger Leistungsbedarf zugewiesen. Dabei
wird von dem für die Schaltung ungünstigsten Betriebsfall
ausgegangen. Dieser „worst case” liegt meist bei
einer hohen Arbeitstemperatur vor.
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Daher
ist es vorteilhaft zum Betreiben einer elektrischen oder elektronischen
Einheit, insbesondere eines Mikrocontrollers μC, die Taktfrequenz
mit der die Einheit betrieben wird in Abhängigkeit von
der Umgebungstemperatur einzustellen. Dafür wird bspw.
zu jeder Umgebungstemperatur ein maximaler Wert der Taktfrequenz
mit der die elektrische oder elektronische Einheit betrieben wird,
bestimmt. Vorzugsweise weist die Einheit eine der Umgebungstemperatur
angepasste maximale Taktfrequenz auf. Zudem kann die Taktfrequenz
mit der die Einheit betrieben wird, entsprechend einer Umgebungstemperatur
geändert werden.
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Dabei
wird die Umgebungstemperatur mittels des Temperaturfühlers
auf der Elektronikplatine ermittelt. Vorzugsweise wird die Taktfrequenz
so weit vermindert, bis die Leistung der Gesamtschaltung bzw. des
Mikrocontrollers μC im maximal zulässigen Bereich
liegt.
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Wurde
mittels des Temperaturfühlers eine Umgebungstemperatur
ermittelt, bei der Gefahr besteht, dass die zulässige Maximalleistung überschritten
werden könnte, dann wird der Takt des Mikrocontrollers μC
so weit reduziert, dass die Leistung der Gesamtschaltung im spezifizierten
Bereich liegt. In den unterschiedlichen Temperaturbereichen für
die die Schaltung ausgelegt ist, kann daher für die Betriebsmodi
mehr Leistung zur Verfügung gestellt werden und somit Berechnungen
schneller durchgeführt werden, als bei einer Dimensionierung
auf den „worst case”.
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Beispielsweise
kann eine taktgesteuerte elektrische oder elektronische Einheit
bei 25°C bis 100 Hz und bei 100°C nur noch bis
10 MHz getaktet werden. Wird durch den Temperaturfühler
eine Umgebungstemperatur von 100°C detektiert, so wird
die Einheit nur noch mit 10 MHz betrieben. Sind mehrere solcher
Einheiten mit obiger Spezifikation zu einer Schaltung zusammengefasst,
so würde bei einer Umgebungstemperatur von 100°C
jedem Halbeleiterbauelement weiterhin 100 MHz zur Verfügung
stehen. Dies würde aber den maximal zulässigen
Leistungsbedarf des Schaltkreises überschreiten, da die Gesamtschaltung
zu viel Energie benötigt. Daher wird die Taktfrequenz aufgrund
der Eigenschaften des Gesamtsystems reduziert.
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Auf
diese Weise lassen sich die Leistungsvorgaben für den elektrischen
Schaltkreis auch in extremen Einsatzfällen gewährleisten
und in den spezifizierten Arbeitsbereichen kann die Leistung des Schaltkreises
optimal genutzt werden.
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Darüber
hinaus kann die Messung der Umgebungstemperatur zu Diagnosezwecken
eingesetzt werden, um etwaige Beschädigungen an der Schaltung
zu vermeiden oder bestehende Beschädigungen zu detektieren.
So kann bspw. die Eingangsleistung mit der Ausgangsleistung und
der von der Schaltung erzeugten Wärme bilanziert werden
und Rückschlüsse über etwaige Leistungseinbussen bspw.
in Form von Leckströmen gezogen werden.
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- F1
- Funktionsblock
- F2
- Funktionsblock
- F3
- Funktionsblock
- P
- Platine
- T
- Temperaturschaltung
- μC
- Mikrocontroller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 93/37482 [0006]
- - EP 0715408 A1 [0008]
- - DE 4442403 A1 [0008]