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BESCHREIBUNG zu der Patentanmeldung Funktionsüberwachungsanordnung
für Schaltkreise mit im Betrieb geringem Stromverbrauch, insbesondere für komplementäre
MOS-Schaltkreise Das richtige Funktionieren elektronischer Schaltungen beispielsweise#
der Digitaltechnik wird bisher meist durch Überwachung der eigentlichen Übertragungsfunktion
geprüft, beispielsweise durch Überwachung der Übertragung besonders charakteristischer
Signale oder speziell eingespeister Prüfsignale. Auch eine Überwachung durch Funktionsvergleich
von doppelt oder mehrfach vorhandenen gleichartigen Schaltungen ist bekannt. Diese
bekannten Systeme sind relativ aufwendig und ihre Anwendung ist daher bis jetzt
auf solche Schaltungen beschränkt, die eine extrem hohe Funktionssicherheit verlangen
und bei denen damit ein solcher Aufwand gerechtfertigt ist. Für einfachere elektronische
Digitalschaltungen sind diese schaltungstechnisch aufwendigen Anordnungen im allgemeinen
nicht gerechtfertigt.
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In der elektronischen Digitaltechnik werden in neuerer Zeit häufig
Schaltkreise aus MOS-Schaltelementen aufgebaut, z.B. auu komplementären MOS-Schaltelementen
(CMOS), die den Vorteil besitzen, dass sie im Normalbetrieb nur wenig Betriebsstrom
verbrauchen. Auch für solche Schaltkreise wären die bisher üblichen Funktionsüberwachungssysteme
zu aufwendig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine für Schaltkreise mit im Normalbetrieb
geringem Stromverbrauch, insbesondere für Schaltkreise mit komplementären MOS-Bauelementen
geeignete Funktionsüberwachungsanordnung zu schaffen, die einfach und billig realisiert
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine Funktionsüberwachungsanordnung
nach dem Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hierfür ergeben sich
aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine erfindungsgemässe Funktionsüberwachungsanordnung kann sehr einfach
und billig dadurch realisiert werden, dass in die Speiseleitung des zu überwachenden
Schaltkreises ein Stromindikator, im einfachsten Fall ein Widerstand, geschaltet
wird. Solche im Betriebsfall einen geringen Strom verbrauchende Schaltkreise wie
CMOS-Schaltkreise besitzen nämlich die Eigenschaft, dass bei nahezu allen möglichen
Fehlern eine merkliche Erhöhung ihres Speisestroms auftritt, der damit durch den
Stromindikator festgestellt werden kann. Damit kann auf einfache Weise durch Überwachung
des Speisestroms ein z.B. aus CMOS-Elementen bestehender Schaltkreis überwacht werden,
ohne dass hierzu spezielle Funktionssignale oder dergl. eingespeist werden. Der
Stromindikator kann im einfachsten Fall beispielsweise über einen Verstärker mit
einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung gekoppelt sein, beispielsweise mit Anzeigelampen
oder einem Registriergerät, er kann aber auch mit einer automatischen Umschalteinrichtung
gekoppelt sein, die bei Auftreten eines Fehlers den fehlerhaften Schaltkreis abschaltet
und dafür einen gleichartigen Schaltkreis zuschaltet. Nach der Erfindung ist es
dadurch möglich, redudante Systeme mit nur zwei Zweigen aufzubauen, was mit gleicher
Zuverlässigkeit bei bisher üblichen redudanten Systemen nur mit drei oder mehr Zweigen
lösbar ist. Da die erfindungsgemässe Funktionsüberwachungsanordnung mit sehr geringem
Schaltungsaufwand realisiert werden kann, wird
durch sie ein grösseres
Anwendungsgebiet erschlossen, d.h. es können auch solche Schaltkreise überwacht
werden, bei denen bisher aus Kostengründen solche Überwachungen nicht sinnvoll waren.
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Die erfindungsgemässe Funktionsüberwachungsanordnung eignet sich zur
Überwachung all solcher Schaltkreise, die gegenüber dem Stromverbrauch bei Normalbetrieb
bei Fehlern eine merkliche Erhöhung des Betriebsstromes zeigen, also eine durch
den Stromindikator auswertbare Stromänderung. Unter Schaltkreis werden dabei alle
Schaltungen verstanden, die aus einem oder mehreren Bauelementen bestehen und die
z.B. Teil eines Gerätes oder einer grösseren Gesamtschaltung sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt die Realisierung einer erfindungsgemässen Funktionsüberwachungsanordnung
bei einem CMOS-Schaltkreis einfachster Bauart Fig. 2 zeigt den-AuSbau eines redudanten
Systems unter Verwendung erfindungsgemässer Funktionsüberwachungsanordnungen.
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Fig. 1 zeigt einen zu überwachenden Schaltkreis B, der aus mehreren
Bauelementen G besteht, die in einer nicht näher dargestellten Weise funktionsmässig
miteinander verknüpft sind. Wie an Hand des einen Bauelemts Gi näher dargestellt
ist, sind diese Bauelemente in der sogen. komplementären MOS-Technik realisiert.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Bauelement Glbeispielsweise aus
den beiden Halbleiterelementen P und N komplemen'tären.Leitfähigkeitstyps. Gespeist
werden diese einzelnen Bauelemente G des Schaltkreises B über die Speiseleitungen
H und L (diese Speisung ist der Einfachheit halber nur für das Element G1 dargestellt,
bei den anderen Elementen jedoch weggelassen).
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In die Speiseleitung H ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Stromindikator J eingeschaltet, im einfachsten Fall ein Widerstand R. Der Schaltkreis
B besitzt bei dem dargestellten Aufbau in CMOS-Technik die Eigenschaft, dass im
Normalbetrieb praktisch kein Betriebsstrom fliesst. Die verwendeten CMOS-Bauelemente
G besitzen nämlich die an sich bekannte vorteilhafte Eigenschaft, dass sie in den
einzelnen Schaltzuständen praktisch keinen Strom verbrauchen, solange sie fehlerfrei
arbeiten. Tritt nämlich beispielsweise am Funktionseingang El des CMOS-Bauelements
G1 H-Potential auf, so wird das Halbleiterelement N leitend und das Halbleiterelement
P gesperrt und am Funktionsausgang Al tritt L-Potential auf, ohne dass hierdurch
ein merklicher Stromfluss zwischen H und L auftritt. Nur wenn ein Fehler im Bauelement
auftritt, wird von diesem Strom verbraucht, was über den dem zu überwachenden Schaltkreis
zugeordneten Stromindikator J festgestellt werden kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
tritt beispielsweise bei einem fehlerhaften Bauelement G durch den dann fliessenden
erhöhten Betriebsstrom in der Leitung H ein Spannungsabfall am Widerstand R auf,
der über den Anschluss X als Fehlersignal festgestellt und weiterverarbeitet werden
kann. Selbstverständlich kann dieser Stromindikator J auch in der unteren Speiseleitung
L angeordnet werden oder bei Bedarf können sogar in beiden Leitungen H und L entsprechende
Stromindikatoren vorgesehen werden. Zur Unterdrückung von Stromspitzen während des
Schaltvorganges im Schaltkreis B kann noch der Kondensator C vorgesehen sein. An
Stelle des dargestellten Widerstandes R kann beispielsweise auch ein Hallgenerator
oder ein anderes entsprechendes bekanntes Bauelementjverwendet werden, so dass das
Fehlersignal am Ausgang X gegebenenfalls auch galvanisch getrennt von der übrigen
Schaltung abgegriffen werden kann.
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Wenn mehrere aus einer gemeinsamen Speisespannungsquelle über die
Speiseleitungen H und L gespeiste Schaltungskreise B parallel geschaltet
sind,
kann es je nach Aufbau dieser Schaltkreise möglich sein, dass über den bei Auftreten
eines Fehlers in einem der Schaltkreise entstehenden Spannungsabfall am Stomindikator
der eine oder andere der parallelliegenden anderen Schaltkreise so beeinflusst wird,
dass auch an diesem ein Fehler durch entsprechenden Stromverbrauch simuliert wird.
Um dies zu vermeiden, besitzt der Stromindikator J vorzugsweise eine derartig nichtlineare
Kennlinie, dass der Spannungsabfall am Indikator begrenzt wird.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist z.B. einfach parallel zum
Widerstand R eine Diode D geschaltet, so dass der Spannungsabfall am Widerstand
auf den Wert der Diodenrestspannung begrenzt wird.
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Mit der Schaltung nach Fig. 1 können die wichtigsten Funktionen des
Schaltkreises B überwacht werden. Es sind jedoch auch Fehler denkbar, die keine
entsprechende Stromerhöhung zur Folge haben.
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Wenn beispielsweise die Ausgangsleitung A2 des Elements G2 an der
Stelle Y unterbrochen wird, kann dies nicht durch eine Stromerhöhung in der Speiseleitung
H-L festgestellt werden.
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Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass diesem Ausgang A2
des Bauelements G2 der Eingang E3 eines zusätzlichen Bauelements G3 zugeordnet wird,
das seinerseits natürlich wieder aus den Speiseleitungen H-L gespeist und somit
auch über den Stromindikator J überwacht wird. Wenn nunmehr bei dem so ergänzten
Schaltkreis B wieder eine Unterbrechung an der Stelle Y auftritt, ist der Eingang
E3 des Elements G3 unbeschaltet und die beiden Halbleiterelemente N und P dieses
zusätzlichen CNO-S-Bauelements G) werden leitend. Der erhöhte Stromverbrauch wird
wieder als Fehler am Ausgang X angezeigt. Der Ausgang A3 dieses zusätzlichen Überwachungs-Bauelements
G) kann unbeschaltet d.h. funktionslos bleiben, im allgemeinen wird bei solchen
Schaltkreisen B jedoch sich immer irgendeine Verbindung eines Funktionsausganges
ein Bauelementes mit dem Funktionseingang eines anderen entsprechenden Bauelementes
anbieten,
so dass diese optimale Überwachung für alle denkbaren Fehlermöglichkeiten eines
Schaltkreises meist sehr einfach realisiert werden kann.
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Die Auswertung des am Ausgang X auftretenden Fehlersignals kann auf
die verschiedenartigste Weise erfolgen. Im einfachsten Fall ist jedem Ausgang X
jedes einzelnen Schaltkreises ein entsprechender Anzeigeverstärker mit Anzeigeeinrichtung
zugeordnet. Damit können auch kurzzeitige Fehlerzustände von Schaltkreisen ständig
überwacht werden. Der Schaltungsaufwand für die Überwachung kann jedoch auch dadurch
weiter herabgesetzt werden, dass eine Art Zeitmultiplex-Überwachung vorgenommen
wird, bei der nacheinander die verschiedenen Ausgänge X verschiedener Schaltkreise
B abgefragt und über einen gemeinsamen Anzeigeverstärker mit Anzeigevorrichtung
ausgewertet werden. Durch geeignete Wahl der Abfragefrequenz ist dabei sicherzustellen,
dass auch kurzzeitige Fehlerzustände der einzelnen Schaltkreise sicher erfasst werden.
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Eine erfindungsgemässe Funktionsüberwachungsanordnung ermöglicht auch
den Aufbau einfacher redudanter Schaltungssysteme mit nur zwei Systemzweigen, wie
dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
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Fig. 2 zeigt zwei gleichartige mit komplementären MOS-Bauelementen
aufgebaute und gemäss der Erfindung funktionsüberwachte Schaltkreise F und F', die
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt drei verschiedene Funktionsausgänge
Al, A2 und A3 besitzen.
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Um sicherzustellen, dass immer nur ein fehlerfreier Schaltkreis F
bzw. F' mit seinen Ausgängen Al, A2 und A3 mit einem weiteren Schaltkreis verbunden
ist, ist die zusätzliche Umschalteinrichtung S vorgesehen, die ihrerseits im Sinne
des Ausführungsbeispiels doppelt vorhanden ist. Die verstärkten Fehlerausgangssignale
an den Ausgängen X und X' steuern eine Flip-Flop-Schaltung 7, 8 in der Umschalteinrichtung
S bzw. S', durch die entsprechende Gatter
1, 2, 3 in den Übertragungsleitungen
der Ausgänge Al, A2 und A3 des ersten Schaltkrei-ses F bzw. Gatter 4, 5, 6 in den
entsprechenden Ausgangsleitungen A1', A2' und A3' des zweiten Schaltkreises F' gesteuert
werden. Arbeiten die beiden Schaltkreise F und F' einwandfrei, so liegen beide Ausgänge
X und X' auf hohem Potential und die beiden Flip-Flops 7, 8 bzw. 7?, öl schalten
willkürlich die drei Ausgänge Al, A2 und A3 bzw. Al', A2' und A)' über die zugeordneten
Gatter 1 bis 6 an die entsprechenden Ausgänge 9 bis 11 der Umschalteinrichtung S
bzw. über 1' bis 6' an 12 bis 14 der Umschalteinrichtung S'. Ist jedoch einer, beispielsweise
der Schaltkreis F, defekt, werden die Flip-Flops 7, 8 und 7', 8' so gesetzt, dass
nur die Ausgänge Al' bis A31 des einwandfrei arbeitenden Schaltkreises F' durchgeschaltet
werden.
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Im einfachsten Fall genügt selbstverständlich auch nur eine einzige
Umschalteinrichtung S. Nur wenn auch eine entsprechende Sicherheit für ein einwandfreies
Durchschalten gefordert wird, ist die doppelte Ausführung dieser Umschalteinrichtung
erforderlich. Die Umschalteinrichtungen S und S' werden ihrerseits vorzugsweise
aus CMOS-Bauelementen aufgebaut, so dass mittels diesen Umschalteinrichtungen S
bzw. S' zugeordneten erfindungsgemässen, Funktionsüberwachungsanordnungen über entsprechende
Ausgänge X'' und X4,1 deren richtiges Funktionieren überwacht werden kann.
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Die Umschalteinrichtung S und S' können auch jeweils Bestandteil eines
nachfolgenden überwachten Schaltkreises sein. An Stelle der Flip-Flops können auch
entsprechende Differenzverstärker oder andere Umschaltelemente verwendet werden.
Patentansprüche