DE1934424A1 - Verfahren zur qualitativen Stabilitaetsuntersuchung von elektrischen Schaltungen - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 2. Juni 1969
mö-rz

. Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N.Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket PO 967 081

Verfahren zur qualitativen Stabilitätsuntersuchung von elektrischen Schaltungen

Die einzelnen Bauelemente bzw. Schaltungen in Datenverarbeitungsanlagen z.B. zur Ausführung logischer Funktionen sind üblicherweise diskrete, meist mit Kunstharz vergossene, gekapselte und mit Anschlußstiften versehene Bauteile, auch Module genannt. Vor ihrem Zusammenfügen zu einer Gesamtschaltung werden diese Module einzeln getestet. Dennoch kann es vorkommen, daß einige dieser Module, obwohl sie den Einzeltest bestanden haben, nach ihrer elektrischen
Verbindung zu der Gesamtschaltung ein instabiles Verhalten aufweisen. Der Grund dafür kann nur in den besonderen elektrischen Lastverhältnissen liegen, wie sie sich für das einzelne Bauteil innerhalb der Gesamtschaltung ergeben. Ein solches Modul bzw. eine
solche Schaltung wäre demnach nur als bedingt stabil anzusehen. Es ist nun in jedem Fall wünschenswert, vor dem Einbau eines solchen Moduls in die Gesamtschaltung zu wissen, ob es absolut oder nur
bedingt stabil ist.

Um eine solche Feststellung treffen zu können, ist es bereits bekannt, den Verlauf der Eingangsimpedanz einer solchen Schaltung unter genau simulierten Betriebsbedingungen bei verschiedenen Fre-

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quenzen zu messen. Die Tatsache des Auftretens eines negativen Realteils der Eingangsimpedanz gibt dann Auskunft über die Stabilitätseigenschaften der untersuchten Schaltung. Ein schwerwiegender Nachteil des skizzierten Feststellungsverfahrens besteht jedoch einmal darin, daß es sehr kompliziert ist und folgedessen nur von qualifizierten Messtechnikern durchgeführt werden kann. Die zu untersuchende Schaltung wird dabei in der Regel in einer Wheatstonebrücke bei verschiedenen Frequenzen durchgemessen, und aus < P den einzelnen Messpunkten wird anschließend ein sogenanntes Nyquistdiagramm aufgezeichnet. Zum anderen müssen zur genauen Simulation der elektrischen Betriebsbedingungen diese bekannt sein, d.h. für jedes Schaltungsmodul muß der genaue Platz in der späteren Gesamtschaltung festliegen. Das ist jedoch bei in großen Stückzahlen vorkommenden identischen Bauteilen eine äußerst aufwendige Anforderung. Insbesondere zur Stabxlitätsuntersuchung von in Großserienfertigung hergestellten Bauteilen ist das geschilderte Verfahren daher äußerst unvorteilhaft.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur qualitativen Stabilitätsuntersuchung von elektrischen Schaltungen ^ anzugeben, das weder einen großen Aufwand an Meßgeräten noch besonders qualifiziertes Meßpersonal erfordert. Es soll lediglich die Feststellung getroffen werden, ob Schaltungen absolut oder nur bedingt stabil sind. Insbesondere soll sich das Verfahren zur laufenden überwachung von in Großserie, gefertigen Bauteilen, insbesondere zur Stabilitätsuntersuchung von logischen Schaltbaugruppen eignen, wobei der genaue Verwendungsort der Baugruppe in der Gesamtschaltung unbeachtlich sein soll.

Das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur qualitativen Stabilitätsuntersuchung von elektrischen Schaltungen unter Betriebsbedingungen sieht vor, daß an einen Signalanschluß der zu untersuchenden Schaltung ein als Impedanz wirkendes Leitungsbauelement, insbesondere eine* Leitung mit ausziehbarer Länge, angeschlossen wird und daß gleichzeitig mit der Veränderung der wirk-

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samen Länge dieser Leitung die Schaltung auf den Einsatz von Eigenschwingungen beobachtet wird. Das Leitungsbauelement kann dabei prinzipiell an jeden Anschluß der Schaltung angeschlossen werden, insbesondere natürlich an die Eingangs- und Ausgangsklemmen, über die die zu untersuchende Schaltung später in der Gesamtschaltung angeschlossen wird. Der Einsatz von Eigenschwingungen läßt sich grundsätzlich an mehreren Punkten der Schaltung beobachten, es bieten sich aber auch hier die nach außen führenden Anschlüsse, z.B. der Ausgangsanschluß der Schaltung, an. Als Meß- bzw. Anzeigegeräte können in einfacher Weise Kathodenstrahloszilloskope bzw. Röhrenvoltmeter Verwendung finden. Bedingung für diese Beobachtungsgeräte ist lediglich, daß sie selbst einen möglichst vernachlässigbaren Einfluß auf die zu untersuchende Schaltung, insbesondere deren Stabilitätsverhalten, ausüben.

Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Leitungsbauelement eine /V/2-Leitung mit ausziehbarer Länge als variable Reaktanz benutzt, d.h. eine Leitung mit etwa der halben Wellenlänge der zu erwartenden Schwingungsfrequenz. Solche Leitungsbauelemente sind beispielsweise als "Posaunen" bekannt. Soll eine reine Reaktanz nachgebildet werden, verwendet man eine einseitig kurzgeschlossene /V/2-Leitung. Um jedoch einen bestimmten bedingt stabilen Bereich, d.h. einen Bereich mit negativem Realteil der Eingangsimpedanz zulassen zu könnenf ohne daß es zum Eigenschwingungseinsatz kommt» wird gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung die /V/2-Leitung mit einem Wirkwiderstand entsprechender Größe abgeschlossen. Zur Stabilitätsuntersuchung der jeweiligen Schaltung wird die wirksame Länge des Leitungsbauelements derart verändert, daß der Bindwiderstandsanteil der Eingangsimpedanz bei der zum größten negativen Wirkwiderstandsanteil gehörigen Frequenz gerade kompensiert wird. Es genügt demnach beispielsweise bei einer zu untersuchenden Schaltung mit bekannterweise stark kapazitiver Eingangsimpedänz das Leitungsbauelement nur innerhalb des Längenbereichs zu ändern, in dem es als induktiver Blindwiderstand wirkt. Docket PO 967 081 909883/1 3 4 5

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur schnellen und einfachen Stabilitätsuntersuchung von in Großserie , hergestellten und zu prüfenden logischen Schaltkreisen/ wobei besonders bei Schaltkreisen mit unterschiedlichem Eingangs- zu Ausgangsimpedanzverhalten, z.B. kapazitiver Eingangswiderstand und induktiver Ausgangswiderstand/ bei der Zusammenschaltung solcher Schaltkreise Stabilitätsprobleme bestehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Schaltungsanordnung, in der ein Stromübernahmeschaltkreis mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens auf seine Stabilität geprüft wird und

Figur 2 ein Nyquistdiagramm, in das die Verläufe von Eingangsimpedanzen stabiler und bedingt stabiler bzw. instabiler Schaltungen eingezeichnet sind.

■ Der in Figur 1 dargestellte Stromübernahmeschalter 10 wird erfindungsgemäß mit einer an den Eingang 14 angeschlossenen Leitung mit ausziehbarer Länge 12 ("Posaune") auf seine Stabilitätseigenschaften geprüft, wobei an den Ausgang 20 ein Röhrenvoltmeter 16 und ein Kathodenstrahloszilloskop 18 angeschlossen sind.

Der Eingang 14 des Stromübernahmeschalters ist mit der Basis des Eingangstransistors 22 verbunden. Der in diesem Ausführungsbeispiel angenommene Stromübernahmeschalter besitzt einen zweiten Eingang 24, der entsprechend auf die Basis einesEingangstransistors 26 führt. Die Kollektoren der Eingangstransistoren 22 und 26 sind miteinander und über den Widerstand 28 mit dem positiven Pol 30 der Spannungsquelle verbunden. Die Emitter beider Transistoren sind ebenfalls miteinander verbunden und über den Widerstand 32 an

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den negativen Pol 34 der Spannungsquelle angeschlossen. Darüberhinaus sind die Emitter der beiden Transistoren 22 und 26 noch "mit der Kathode einer Diode 36 gekoppelt, deren Anode auf Masse- ' potential am Anschluß 38 liegt. Sind beide Eingangstransistoren 22 und 26 nichtleitend, ist die Diode 36 infolge des Potentials an den Klemmen 34 und 38 leitend. Die beschriebene Schaltung arbeitet digital, d.h. es treten lediglich 2 Spannungspegel, nämlich ein hoher und ein tiefer, auf. Entsprechend der jeweiligen Vereinbarung sind diese Spannungspegel logischen Bedeutungen zugeordnet. Ein am Anschluß 14 auftretendes Eingangssignal mit hohem Pegel schaltet den Transistor 22 in den leitenden Zustand, während ein Eingangssignal mit tiefem Pegel den»Transistor 22 im nichtleitenden Zustand beläßt. In gleicher Weise bestimmen die Eingangssignale am Anschluß 24 den Leitzustand des Transistors

Der Leitzustand des Ausgangstransistors 42 hängt davon ab, ob die Transistoren 22 und 26 leitend oder nichtleitend sind. Die Basis des Ausgangstransistors 42 ist mit den Kollektoren der Transistoren 22 und 26 verbunden, über die Diode 40 ist sie ferner mit Massepotential am Anschluß 38 verbunden. Der Kollektor von Transistor 42 ist direkt mit dem positiven Pol 30 der Spannungsquelle verbunden, während am Emitter die Ausgangsklemme liegt. Wenn einer der Transistoren 22 oder 26 leitend ist, wird Transistor 42 durch das Kollektorpotential der Transistoren 22 und 26 auf tiefem Pegel gehalten. Sind beide Transistoren 22 und 26 nichtleitend, wird Transistor 42 infolge des hohen Basxspotentialpegels leitend. Am Ausgang tritt also der tiefe Spannungspegel dann auf, wenn mindestens an einem der beiden Eingänge 14 oder 24 ein hoher Spannungspegel anliegt bzw. tritt am Ausgang nur dann der hohe Spannungspegel auf, wenn beide Eingangssignale tiefen Pegel aufweisen.

Der Stromübernahmeschalter ist ein sehr häufig verwendeter logischer Schaltkreis* Der soeben beschriebene Stromübernahmeschalter stellt ein Oder-Glied mit invertiertem Ausgangssignal dar. Docket PO" 967 081 9-0 98&3/1 3Ά5

Ein besonders bei Stromübernahmeschaltern auftretendes Problem besteht darin, daß ihre Eingangsimpedanz kapazitiv ist/ während ihr Emitterfolgerausgang induktiv ist« Somit besteht bei zwei oder mehreren zur Darstellung einer bestimmten logischen Funktion hintereinandergeschalteten StromübernahmeschaItem die Möglichkeit der Instabilität. Dies soll im einzelnen anhand von Figur 2 erklärt werden.

Figur 2 zeigt ein Nyquistdiagramm, in dem verschiedene Stabilitätsverhältnisse eingezeichnet sind. Der Kürvenzug 44 stellt einen typischen Eingangsimpedanzverlauf für einen stabilen Schaltkreis dar. Eine solche Schaltung wird unter keinen Umständen zur Instabilität und damit zu Schwingungen neigen, weil die Eingangsimpedanz keinen negativen Realteil aufweist. Dagegen stellt der Kurvenzug 26 den Eingangsimpedanzverlauf eines bedingt stabilen Schaltkreises dar. In diesem Fall tritt in bestimmten Bereichen ein solcher negativer Realteil der Eingangsimpedanz auf. Wenn der Impedanzverlauf entsprechend dem Kurvenzug 46 derart verschoben würde, daß er, wie in dem unterbrochenen Kurvenzug 48 angedeutet, den Nullpunkt der komplexen Widerstandsebene umfaßte, würde die Schaltung instabil sein, d.h. es träten Eigenschwingungen auf. Eine solche Verschiebung kann dadurch auftreten, daß mehrere solche Schaltkreise innerhalb einer Rechenmaschine zusammengeschaltet werden. Demzufolge kann eine Schaltung mit einem Eingangsimpedanzverlauf gemäß Kurvenzug 46, die separat getestet als durchaus stabil angesehen werden könnte, unter bestimmten Bedingungen zu Instabilitäten führen, nämlich dann, wenn ihre Eingangsanschlüsse entsprechend den später im Betrieb tatsächlich auftretenden Verhältnissen belastet werden.

Aufgrund des oben Gesagten ist es in jedem Fall wünschenswert> festzustellen, ob ein spezieller Schaltkreis eine Anschlußimpedanz mit negativem Realteil aufweist. Umjäies festzustellen, besteht der übliche Weg darin, den Schaltkreis in einer Wheatstonebrücke durchzumessen, den Impedanzverlauf bei verschiedenen Frequenzen

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aufzuzeichnen und nachzuprüfen, ob der Kurvenzug die imaginäre Achse j in Figur 2 schneidet. Um solche Impedanzverlaufe aufzunehmen, sind jedoch qualifizierte Messtechniker erforderlich. Bei einer typischen Großserienfertigung läßt sich dieser Weg jedenfalls nicht beschreiben.

Gemäß der Erfindung ist jedoch insbesondere bei einer Großserienfertigung diese Stabilitätsüberprüfung in neuer und einfacher Weise möglich. Das hier vorgeschlagene einfache Messverfahren kann sahr schnell von/angelernten Kräften oder aber auch automatisch durchgeführt werden.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, besteht die vorgeschlagene Messmethode darin, eine Leitung ausziehbarer Länge 12 an einen der Anschlüsse 14 des Stromübernahmeschalters 10 anzuschließen, wobei gleichzeitig ein Röhrenvoltmeter 16 und/oder ein Oszilloskop 18 an den Ausgang des zu testenden Schaltkreises angeschlossen ist. Die Länge 1 der Leitung mit ausziehbarer Länge wird dann verändert, womit sich die Belastungsverhältnisse am Eingang 14 der untersuchten Schaltung entsprechend ändern. Bei der Leitung 12 mit ausziehbarer Länge handelt es sich um eine einseitig kurzgeschlossene Leitung. Bei der Frequenz fo, bei der der Eingangsimpedanzverlauf 46 eines bedingt stabilen Schaltkreises seinen größten negativen Realteil aufweist, wirkt diese Leitung je nach ihrer Länge als eine induktive oder kapazitive Eingangsbelastung. Ist die wirksame Länge 1 der Leitung mit ausziehbarer Länge kleiner als ein Viertel der zu der Frequenz fo gehörigen Wellenlänge, stellt die Leitung eine Induktivität dar. In einer bestimmten Stellung innerhalb dieses Bereiches wird durch das Leitungsstück exakt der kapazitive Eingangsimpedanzanteil -jXO der Schaltung kompensiert. Auf diese Weise wird der Eingangsimpedanzverlauf 46 eines bedingt stabilen Schaltkreises gerade so verschoben, daß er den Null-Punkt der komplexen Widerstandesebene umfaßt, wie in dem unterbrochenen Kurvenzug dargestellt ist. Unter diesen UMständen wird die untersuchte Schaltung Eigenschwingungen ausführen, die am Ausgangsan-Docket po 967 081 9 0 9 8 8 3 / 1 3 A 5

Schluß 20 der Schaltung 10 festgestellt werden können. Diese Eigenschwingungen können entweder über das Röhrenvoltmeter 16 oder das Oszilloskop 18 beobachtet werden, woraus sich für die untersuchte Schaltung ergibt/ daß sie nur bedingt stabil und daher möglicherweise nicht verwendbar ist.

Wie man sieht, ist dieses Testverfahren sehr einfach durchzuführen. Der Messtechniker hat lediglich die Leitung mit ausziehbarer Länge 12, das Oszilloskop und / oder das Röhrenvoltmeter an die zu untersuchende Schaltung 10 anzuschließen, die Länge 1 der Leitung zu verändern und dabei auf das Auftreten von Eigenschwingungen am Ausgang der Schaltung zu achten.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde das erfindungsgemäße Prüfverfahren an einer Schaltung mit kapazitiver Eingangsimpedanz verdeutlicht. Natürlich kann die Erfindung in gleicher Weise angewandt werden zur Stabilitätsuntersuchung von Schaltungen mit induktivem Eingangswiderstand oder auch zur Untersuchung des Ausgangsimpedanzverlaufs einer Schaltung. Wie bereits gesagt weist eine einseitig kurzgeschlossene Leitung veränderlicher Länge in dem Bereich kleiner ein Viertel Wellenlänge kapazitives Verhalten und in dem Bereich größer ein Viertel Wellenlänge induktives Verhalten auf. Soll bei der Stabilitätsuntersuchung von Schaltungen in einem gewissen Bereich eine bedingte Instabilität toleriert werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren ferner mit einer mittels eines Wirkwiderstandes abgeschlossenen Leitung durchgeführt werden. Dadurch wird der Eigenschwingungseinsatz der Schaltung verschoben, so daß in dem festgelegten Toleranzbereich die Schaltung als stabil angesehen werden kann.

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Claims (7)

1. 9 -

   PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur qualitativen Stabilitätsuntersuchung von elektrischen Schaltungen unter Betriebsbedingungen, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Signalanschluß (14, 24) der zu untersuchenden Schaltung (10) ein als Impedanz wirkendes Leitungsbauelement (12), insbesondere eine Leitung mit ausziehbarer Lange, angeschlossen wird und daß gleichzeitig mit der Veränderung der wirksamen Länge dieser Leitung die Schaltung auf den Einsatz von Eigenschwingungen beobachtet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine 7^/2-Leitung mit ausziehbarer Länge als variable Reaktanz.
3. 3. Verfahren nach Anpsruch 1 gekennzeichnet durch eine einseitig kurzgeschlossene Λζ/2-Leitung.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 gekennzeichnet durch eine mit einem Wirkwiderstand abgeschlossene /^v-/2-Leitung, durch den ein bestimmter bedingt stabiler Bereich toleriert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Länge des Leitungsbauelementes derart verändert wird, daß der Blindwiderstandsanteil.der Eingangsimpedanz bei der zum größten negativen Wirkwiderstandsanteil gehörigen Frequenz kompensiert wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Schaltung über ein Kathodenstrahloszilloskop oder ein Röhrenvoltmeter auf den Einsatz von Eigenschwingungen beobachtet wird.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Stabilitätsuntersuchung von logischen

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   Schaltkreisen, insbesondere von Stromubernahmeschaltkreisen,

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