DE2938043C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem redundanten Taktversorgungssystem mit einer Anzahl von gleichartig aufgebauten Taktgeneratoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-AS 20 40 037 bekannt. Hierbei werden die einzelnen Taktgeneratoren des Systems mit dem Ausgangssignal desjenigen Taktgenerators in Phasenübereinstimmung gebracht, dessen Phasenlage zwischen den Phasen der übrigen Taktgeneratoren liegt. Damit lassen sich die folgenden an ein auswahlsicheres Taktversorgungssystem zu stellenden Forderungen nicht erfüllen: Das Zu- und Abschalten einzelner Taktgeneratoren soll ohne Beeinflussung der weiterlaufenden Taktgeneratoren möglich sein, und das System soll auch dann noch arbeitsfähig sein, wenn nur noch ein einziger Taktgenerator fehlerfrei arbeitet und alle übrigen Taktgeneratoren defekt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Forderungen bei einem Taktversorgungssystem der eingangs genannten Art zu erfüllen und gleichzeitig eine hohe Frequenzgenauigkeit und eine hohe Genauigkeit des Phasengleichlaufs sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Taktversorgungssystem weist durch seinen redundanten Aufbau aus mehreren Taktgeneratoren eine hohe Ausfallsicherheit auf. Die Taktgeneratoren des Systems sind stets einwandfrei synchronisiert und können beliebig zu- und abgeschaltet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Taktversorgungssystems sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden im einzelnen beschrieben. Das dabei erläuterte Zahlenbeispiel und die angegebenen Bauelemente dienen lediglich zum besseren Verständnis und beschränken nicht den Schutzumfang.

Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Taktversorgungssystem,

Fig. 2 einen einzelnen Taktgenerator des erfindungsgemäßen Taktversorgungssystems nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm,

Fig. 4 einen Überwachungsschaltkreis,

Fig. 5 einen Mehrheitsentscheider.

Fig. 1 zeigt ein vierkanalig aufgebautes ausfallsicheres Taktversorgungssystem mit vier gleichartig aufgebauten Taktgeneratoren 1, 2, 3, 4. Die Taktgeneratoren sind untereinander über Kontrolltaktleitungen L 11, L 12; L 21, L 22; L 31, L 32; L 41, L 42 verbunden. Durch Richtungspfeile ist angedeutet, daß jeder Taktgenerator jeweils zwei Kontrolltaktleitungen mit Kontrolltaktsignalen speist und auf jeweils sechs Leitungen Kontrolltaktsignale von den anderen Taktgeneratoren empfängt. Beispielsweise speist der Taktgenerator 1 die Kontrolltaktleitungen L 11 und L 12 mit Kontrolltaktsignalen und empfängt Kontrolltaktsignale auf den Leitungen L 21 und L 22 vom Taktgenerator 2, auf den Leitungen L 31 und L 32 vom Taktgenerator 3 und auf den Leitungen L 41 und L 42 vom Taktgenerator 4. Die Ausgänge A 1, A 2, A 3, A 4 der Taktgeneratoren 1, 2, 3, 4 sind mit den Eingängen eines Mehrheitsentscheiders 5 verbunden, dessen Ausgang 6 ein Mehrheitstaktsignal führt, welches das gewünschte ausfallsichere Taktsignal des gesamten Systems darstellt. In hochzuverlässigen Systemen können auch mehrere Mehrheitsentscheider 5 mit parallelgeschalteten Eingängen vorgesehen sein, die jeweils eines von mehreren redundant betriebenen Systemen mit einem Taktsignal versorgen.

Der Mehrheitsentscheider 5 kann bei einer geradzahligen Anzahl von Taktgeneratoren keine echte Mehrheitsentscheidung bilden, wenn an der einen Hälfte seiner Eingänge andere Signalzustände als an der anderen Hälfte seiner Eingänge herrschen. Bei einer geradzahligen Anzahl von Taktgeneratoren muß daher der Mehrheitsentscheider 5 so aufgebaut oder programmiert werden, daß er bei gleicher Anzahl von unterschiedlichen Signalzuständen an seinen Eingängen einem Signalzustand den Vorzug gibt. Konkret heißt das im vorliegenden Ausführungsbeispiel, daß der Mehrheitsentscheider 5 ein H-Signal am Ausgang 6 abgeben wird, wenn an zwei Eingängen ein H-Signal und an zwei Eingängen ein L-Signal ansteht. Ebenso wird der Mehrheitsentscheider natürlich ein H-Signal abgeben, wenn an drei oder vier Eingängen ein H-Signal ansteht.

Fig. 2 zeigt den Aufbau des Taktgenerators 1 im einzelnen. Der Taktgenerator 1 enthält einen spannungsgesteuerten Oszillator VCXO. Die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators kann beispielsweise durch einen externen Kondensator bestimmt werden. Ein besonders frequenzgenaues Taktsignal wird erhalten, wenn - wie dargestellt - der Oszillator mit einem Schwingquarz beschaltet wird. Der Oszillator wird damit zu einem spannungsgesteuerten Quarzoszillator, dessen vom Schwingquarz bestimmte Frequenz durch die Steuerspannung in einem kleinen Bereich geändert werden kann. Beispielsweise kann bei einem derartigen spannungsgesteuerten Quarzoszillator die Ausgangsfrequenz zwischen 19,965 MHz und 20,035 MHz durch Veränderung der Steuerspannung von 0 V bis 5 V "gezogen" werden.

Der Steuerspannungseingang des Oszillators VCXO ist über einen Spannungsteiler R 1, R 2 und eine Diode D mit Vorwiderstand R 3 mit einem Tiefpaßfilter LPF (low-pass filter) verbunden, dessen Eingang mit dem Ausgang eines Phasenkomparators PC (phase-comparator) verbunden ist. Der Referenzeingang RI (reference input) des Phasenkomparators PC ist mit dem Ausgang A _M eines Mehrheitsentscheiders V und der Variableneingang VI ist mit dem Ausgang A 11 des Mehrheitsentscheiders V verbunden.

Es wird angenommen, daß das Potential P der Versorgungsspannung +5 V beträgt. Der Phasenkomparator PC gibt bei Phasengleichheit seiner Eingangssignale eine Ausgangsspannung ab, die in der Mitte des Potentials der Versorgungsspannung liegt, also bei +2,5 V. Das Tiefpaßfilter LPF üblicher Bauart ist mit einer definierten Drift versehen. Der nichtinvertierende Eingang seines Operationsverstärkers ist an ein Potential gelegt, das geringfügig kleiner ist als die Ausgangsspannung des Phasenkomparators PC bei Phasengleichheit, beispielsweise also +2,49 V. Dieses Potential wird durch die Widerstände R 4 und R 5 eingestellt. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters LPF wird sich daher stets langsam dem Wert 0 V nähern. Eine andere Möglichkeit zur Einstellung einer bestimmten Drift besteht darin, den eigentlich zur Offsetkompensation vorgesehenen Eingang des Operationsverstärkers entsprechend zu beschalten.

Die genaue Einstellung der Frequenz des Oszillators VCXO erfolgt über den Spannungsteiler, der ein Potentiometer R 1 gegen Masse und einen ohmschen Widerstand R 2 gegen das Potential P der Versorgungsspannung aufweist. Die am Spannungsteiler R 1, R 2 eingestellte Steuerspannung kann nur geändert werden, wenn die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters LPF größer ist als die Schwellenspannung der Diode D. Kleinere Filterausgangsspannungen werden durch die Diode D gesperrt. Da aber die Filterausgangsspannung driftet, wird sie - vorausgesetzt, daß der Taktgenerator 1 alleine betrieben wird - stets nach einiger Zeit gesperrt und die Frequenz des Oszillators VCXO wird dann alleine durch die am Spannungsteiler R 1, R 2 eingestellte Steuerspannung bestimmt.

Der Taktausgang des Oszillators VCXO ist über einen Frequenzteiler FD geführt, der die Oszillatorfrequenz um ein vorgegebenes Teilerverhältnis herabsetzt. Die Frequenzteilung ist erforderlich, wenn die Frequenz des gewünschten Mehrheitstaktsignals kleiner ist als die Frequenz des Oszillators. Eine Frequenzteilung ist auch vorteilhaft, um die Frequenzen der miteinander zu vergleichenden Taktsignale in den Arbeitsbereich des Phasenkomparators PC zu bringen.

Der Ausgang des Frequenzteilers FD, der mit dem um einen Teilerfaktor untersetzten Taktsignal des Oszillators VCXO belegt ist, ist über ein Verzögerungsglied 7, 8 auf einen ersten Verstärker 11 und auf einen zweiten Verstärker 12 geführt. Das Verzögerungsglied besteht aus einem Längswiderstand 8 und einem Querkondensator 7. Als Verstärker 11, 12 sind im Ausführungsbeispiel Treiber mit 3 Ausgangszuständen vorgesehen. Eine geeignete integrierte Schaltung mit zwei derartigen Treibern wird unter der Typenbezeichnung SN 55113 von der Firma Texas Instruments vertrieben.

Die beiden Verstärker 11 und 12 weisen Sperreingänge auf, die mit einem logischen L-Signal den Verstärkerausgang hochohmig schalten, unabhängig vom Signal am Verstärkereingang und somit den Verstärker sperren. Der Sperreingang des Verstärkers 11 ist mit dem Ausgang eines NOR-Gatters 9 verbunden, dessen Eingänge mit einem Zeitglied TD 1 und mit einem Überwachungsschaltkreis U 1 verbunden sind. Der Sperreingang des Verstärkers 12 ist mit dem Ausgang eines NOR-Gatters 10 verbunden, dessen Eingänge mit einem Zeitglied TD 2 und ebenfalls mit dem Überwachungsschaltkreis U 1 verbunden sind. Die Zeitglieder TD 1 und TD 2 sind beispielsweise monostabile Kippstufen, die jeweils beim Einschalten der Versorgungsspannung angestoßen werden. Das Zeitglied TD 2 hat eine größere Impulsdauer als das Zeitglied TD 1. Die Verstärker 11 und 12 werden somit nach dem Einschalten der Versorgungsspannung jeweils für eine bestimmte Zeit gesperrt. Sie können außerdem bei einem Sperrsignal des Überwachungsschaltkreises U 1 gesperrt werden.

Die Verstärker 11 und 12 erzeugen Kontrolltaktsignale, die in die Kontrolltaktleitungen L 11 und L 12 eingespeist werden. Das Kontrolltaktsignal vom Verstärker 11 auf der Kontrolltaktleitung L 11 ist geringfügig verzögert gegenüber dem Kontrolltaktsignal vom Verstärker 12 auf der Kontrolltaktleitung L 12. Der mit dem unverzögerten Kontrolltaktsignal belegte Ausgang A 1 des Verstärkers 12 ist der eigentliche Ausgang des Taktgenerators 1 und ist auf den in Fig. 1 dargestellten Mehrheitsentscheider 5 geführt.

Die Kontrolltaktsignale auf dem Kontrolltaktleitungspaar L 11, L 12, also die Kontrolltaktsignale des eigenen Oszillators, werden über Entkoppelschaltkreise DC 11 und DC 12 auf die Eingänge E 11 und E 12 des Mehrheitsentscheiders V gegeben. Die Kontrolltaktsignale des Taktgenerators 2 auf dem Kontrolltaktleitungspaar L 21, L 22, sowie die Kontrolltaktsignale des Taktgenerators 3 auf dem Kontrolltaktleitungspaar L 31, L 32 und die Kontrolltaktsignale des Taktgenerators 4 auf dem Kontrolltaktleitungspaar L 41, L 42 werden über nicht näher bezeichnete Entkoppelschaltkreise auf die Eingänge E 21, E 22 sowie E 31, E 32 und E 41, E 42 gegeben. Die Entkoppelschaltkreise verhindern, daß bei einem Ausfall des Mehrheitsentscheiders V ein falsches Signal auf alle acht Kontrolltaktleitungen aufgeprägt werden kann. Beim Ausfall eines Entkoppelschaltkreises wird jeweils nur das Kontrolltaktleitungspaar eines Taktgenerators stillgelegt.

Der Eingang des Entkoppelschaltkreises DC 11 ist über einen ohmschen Widerstand R 11 gegen das Potential P der Versorgungsspannung geschaltet. Dieser Eingang liegt daher auf H-Signal, wenn der Verstärker 11 kein Ausgangssignal abgibt. Der Eingang des Entkoppelschaltkreises DC 12 ist über einen ohmschen Widerstand R 12 gegen Masse geschaltet. Dieser Eingang liegt daher auf L-Signal, wenn der Verstärker 12 kein Ausgangssignal abgibt. Die übrigen Entkoppelschaltkreise sind entsprechend beschaltet. Als Entkoppelschaltkreis können übliche Grundgatter verwendet werden.

Der Mehrheitsentscheider V bildet durch einen Mehrheitsentscheid aus den acht Kontrolltaktsignalen auf seinen Eingängen E 11 bis E 42 ein Referenztaktsignal, das am Ausgang A _M erscheint. Bei "Stimmengleichheit" wird dem H-Signal der Vorzug gegeben, d. h., wenn vier Kontrolltaktsignale auf L-Signal und vier Kontrolltaktsignale auf H-Signal liegen, so setzt sich das H-Signal am Ausgang A _M als Referenztaktsignal durch.

Am zweiten Ausgang A 11 des Mehrheitsentscheiders V erscheint jeweils das verzögerte Kontrolltaktsignal, beim Taktgenerator 1 also das Kontrolltaktsignal vom Verstärker 11, das in den Eingang E 11 des Mehrheitsentscheiders V eingespeist wird. Die Signallaufzeit zwischen dem Eingang E 11 und dem Ausgang A 11 des Mehrheitsentscheiders V ist die gleiche wie zwischen den weiteren Eingängen E 12-E 42 und dem Ausgang A _M . Der Mehrheitsentscheider V hat Sperreingänge K 2, K 3, K 4, die jeweils einem der Kontrolltaktleitungspaare der übrigen Taktgeneratoren 2, 3, 4 zugeordnet sind und die jeweils mit Überwachungsschaltkreisen U 2, U 3, U 4 verbunden sind. Die Überwachungsschaltkreise, deren Aufbau und Funktion anhand der Fig. 3 später erläutert wird, sind eingangsseitig jeweils mit einem Kontrolltaktleitungspaar verbunden. Erkennt ein Überwachungsschaltkreis den Ausfall eines Kontrolltaktsignals auf dem Kontrolltaktleitungspaar, so wird ein Sperrsignal auf den zugehörigen Sperreingang gegeben, welches bewirkt, daß die Signale des betreffenden Kontrolltaktleitungspaares beim Mehrheitsentscheid nicht mehr berücksichtigt werden.

Die beiden Ausgänge A _M und A 11 des Mehrheitsentscheiders V sind mit den Eingängen des Phasenkomparators PC verbunden. Das Referenztaktsignal am Ausgang A _M ist auf den Referenzeingang RI geschaltet. Das Kontrolltaktsignal am Ausgang A 11, das immer mit der Frequenz des eigenen Oszillators schwingt, ist auf den Variableneingang VI geschaltet. Der Phasenkomparator PC führt beispielsweise den Phasenvergleich jeweils bei den negativen Flanken seiner beiden Eingangstaktsignale durch. Liegt am Variableneingang VI eine niedrigere Frequenz als am Referenzeingang RI, so steigt die Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters LPF an, bis der Oszillator VCXO so weit gezogen ist, daß seine Frequenz mit der Frequenz des Referenztaktsignals übereinstimmt. Liegt dagegen am Variableneingang VI eine höhere Frequenz als am Referenzeingang RI, so sinkt die Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters LPF, bis die Frequenz des Oszillators VCXO den niedrigeren Wert der Frequenz des Referenztaktsignals annimmt.

Fig. 3 zeigt ein Impulsdiagramm der wichtigsten Signale in stark zeitlich gedehnter Darstellung. Die Signale sind mit den Bezeichnungen der Leitungen bzw. Bauelemente gekennzeichnet, auf denen sie erscheinen. In der ersten Zeile ist das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators VCXO, bzw. so vorhanden, des Frequenzteilers FD dargestellt. Die zweite Zeile zeigt das verzögerte Kontrolltaktsignal auf der Kontrolltaktleitung L 11, wobei die Verschiebung gegenüber dem Signal VCXO (FD) durch die Laufzeit des Verstärkers 11 und die Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes 7, 8 bedingt ist. Die dritte Zeile zeigt das unverzögerte Kontrolltaktsignal auf der Kontrolltaktleitung L 12, das um die Laufzeit des Verstärkers 12 gegenüber dem Signal VCXO (FD) verschoben ist. Die Signale auf den Eingängen E 11 und E 12 des Mehrheitsentscheiders entsprechen den Kontrolltaktsignalen unter Berücksichtigung der Laufzeit der Entkopplerschaltkreise. Das Signal am Ausgang A 11 des Mehrheitsentscheiders weist gegenüber dem Signal am Eingang E 11 die gleiche Laufzeitverschiebung auf wie das Signal am Ausgang A _M des Mehrheitsentscheiders gegenüber den Signalen an seinen weiteren Eingängen, beispielsweise E 12.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Taktversorgungssystems wird zunächst angenommen, daß lediglich der Taktgenerator 1 in Betrieb ist, während die Taktgeneratoren 2, 3, 4 nicht in Betrieb sind. In der praktischen Ausführung eines solchen Taktversorgungssystems kann jeder Taktgenerator auf einer eigenen Leiterplatte untergebracht sein, die in ein entsprechend ausgebildetes Gehäuse gesteckt werden. Dabei kann bei der Inbetriebnahme oder beim späteren Austauschen defekt gewordener Taktgeneratoren der Zustand eintreten, daß lediglich eine Leiterplatte mit einem Taktgenerator gesteckt ist.

Wenn lediglich der Taktgenerator 1 in Betrieb ist, so treten nur die in Fig. 3 dargestellten Signale auf. Für das Referenztaktsignal am Ausgang A _M des Mehrheitsentscheiders V werden bei einem derartigen Betriebszustand nur die Kontrolltaktsignale an den Eingängen E 11 und E 12 berücksichtigt. Da sich bei Ungleichheit der Signale E 11 und E 12 das H-Signal durchsetzt, erscheinen an den beiden Eingängen des Phasenkomparators PC nach der Laufzeit des Mehrheitsentscheiders V die negativen Flanken der Signale an den Eingängen RI und VI zur gleichen Zeit. Mit idealen Bauelementen würde die Spannung am Ausgang des Tiefpaßfilters LPF und damit auch die Oszillatorfrequenz konstant bleiben. In der Praxis ergibt sich jedoch ein Driften der Ausgangsspannungen des Tiefpaßfilters durch geringfügige Laufzeitunterschiede, Toleranzen bei den Widerstands- und Kapazitätswerten der Bauelemente und durch Unterschiede bei den Offsetströmen und Offsetspannungen der verwendeten Verstärker. Um das Driften der Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters LPF in Richtung und Größe zu definieren, ist der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers im Tiefpaßfilter in der bereits beschriebenen Weise an den Spannungsteiler R 4, R 5 gelegt.

Das Driften der Ausgangsspannungen des Tiefpaßfilters LPF in Richtung auf kleinere Spannungwerte hat zur Folge, daß der Oszillator VCXO des Taktgenerators nach einiger Zeit mit seiner kleinstmöglichen Frequenz innerhalb des Ziehbereichs schwingt, die durch die am Spannungsteiler R 1, R 2 eingestellte Steuerspannung bestimmt wird.

Wird zusätzlich zum ersten Taktgenerator noch ein zweiter Taktgenerator gesteckt und damit in Betrieb genommen, so sind die beiden Verstärker des neu hinzu geschalteten Taktgenerators zunächst über die beiden Zeitglieder gesperrt. Der Oszillator des zweiten Taktgenerators schwingt an, die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters driftet, bis sie die Schwellenspannung der Diode D unterschreitet und der Oszillator läuft auf eine Frequenz, die durch die an seinem vorgeschalteten Spannungsteiler eingestellte Steuerspannung bestimmt ist. Nach Ablauf der Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 1 wird der erste Verstärker 11 im zweiten Taktgenerator freigegeben. Durch unvermeidliche Toleranzen und Ungenauigkeiten beim Abgleich können die Frequenzen der Oszillatoren in beiden Taktgebern geringfügig voneinander abweichen. Es muß daher zunächst eine Synchronisation beider Taktgeneratoren vorgenommen werden. Die Synchronisation des zweiten Taktgenerators auf die Frequenz des bereits laufenden ersten Taktgenerators ist abhängig davon, ob die Frequenz des Oszillators des bereits laufenden Taktgenerators höher oder niedriger liegt als die Frequenz des Oszillators des neu hinzugeschalteten Taktgenerators:

Wenn die Frequenz des Oszillators des bereits laufenden Taktgenerators, z. B. 19,98 MHz größer ist als die Frequenz des Oszillators des neu hinzugeschalteten Taktgenerator, z. B. 19,97 MHz, so kann der erste, bereits laufende Taktgenerator nicht auf die niedrigere Frequenz des hinzugeschalteten zweiten Taktgenerators gezogen werden, da der Oszillator des bereits laufenden Taktgenerators bereits mit seiner kleinstmöglichen Frequenz schwingt, die von der am Spannungsteiler R 1, R 2 eingestellten Steuerspannung bestimmt ist. Im neu hinzugeschalteten zweiten Taktgenerator liegt am Referenzeingang des Phasenkomparators eine höhere Frequenz als am Variableneingang. Im zweiten Taktgenerator steigt die Ausgangsspannung des dem Phasenkomparator nachgeschalteten Tiefpaßfilters und wird zu der am Spannungsteiler eingestellten Steuerspannung addiert, bis der Oszillator mit der Frequenz auf der Kontrolltaktleitung L 11 schwingt. Dies bedeutet, daß die Frequenz des Oszillators des neu hinzugeschalteten Taktgenerators auf die Frequenz von 19,98 MHz des bereits laufenden Taktgenerators synchronisiert wird. Nach Ablauf der Zeitverzögerung durch die Zeitverzögerungsstufe TD 2, die größer ist als die Zeit, die zum Synchronisieren der Taktgeneratoren benötigt wird, wird der Verstärker 12 freigegeben. Die beiden Taktgeneratoren laufen jetzt synchron mit 19,98 MHz.

Ist dagegen die kleinstmögliche, durch die am Spannungsteiler eingestellte Steuerspannung bestimmte Frequenz des Oszillators bereits laufenden Taktgeneratoren, z. B. 19,98 MHz, kleiner als die kleinstmögliche Frequenz des neu hinzugeschalteten Taktgenerators, z. B. 19,99 MHz, so kann der Oszillator des neu hinzugeschalteten zweiten Taktgenerators nicht nach der kleineren Frequenz gezogen werden. Zunächst wird wiederum nach Ablauf der Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 1 der erste Verstärker im zweiten Taktgenerator freigegeben. Nunmehr liegt am Referenzeingang des Phasenkomparators im bereits laufenden ersten Taktgenerator eine höhere Frequenz als am Variableneingang. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters im bereits laufenden ersten Taktgenerator steigt nun in jeder Taktperiode an, bei der die negative Flanke des Mehrheitstaktsignals im Ausgang A _M früher erscheint als am Ausgang A 11, und wird zu der am Spannungsteiler eingestellten Steuerspannung hinzugefügt. Wenn der bereits laufende erste Taktgenerator die Frequenz des neu hinzugeschalteten zweiten Taktgenerators von 19,99 MHz erreicht hat, ist der erste Taktgenerator auf den zweiten Taktgenerator synchronisiert. Nach Ablauf der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes TD 2 des zweiten Taktgenerators wird dessen Verstärker 12 freigegeben und die beiden Taktgeneratoren laufen synchron mit 19,99 MHz.

Beim Zuschalten des dritten und vierten Taktgenerators wiederholt sich der beschriebene Synchronisiervorgang. Am Ende schwingen die Oszillatoren aller Taktgeneratoren mit der Frequenz des Taktgenerators, dessen kleinstmögliche, durch die eingestellte Steuerspannung bestimmte Frequenz am höchsten liegt. Diese Frequenz hat dann auch das Mehrheitstaktsignal am Ausgang 6 des Mehrheitsentscheiders 5.

Die Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 1 bemißt sich nach der Zeit, die der Oszillator VCXO zum Anschwingen benötigt, sowie der Zeit, in der die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters LPF bis auf die Schwellenspannung der Diode D abgesunken ist. Hierzu kann beispielsweise eine Freigabeverzögerung von 200 ms gewählt werden. Die Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 2 bemißt sich zusätzlich zur Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 1 nach der Zeit, die zum Synchronisieren der beiden Taktgeneratoren benötigt wird. Die Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 2 kann beispielsweise zu 400 ms gewählt werden. Wenn gewährleistet ist, daß die Taktgeneratoren stets nacheinander in Betrieb genommen werden, so können die Impulsdauer der jeweiligen Zeitglieder in den einzelnen Taktgeneratoren auf gleiche Zeiten eingestellt werden. Dies ist möglich, wenn Maßnahmen getroffen werden, um die Taktgeneratoren nacheinander an die Versorgungsspannung anzuschließen. Sollen dagegen die Taktgeneratoren alle gleichzeitig an die Versorgungsspannung angeschlossen werden können, so läßt sich durch entsprechende Einstellung der Impulsdauern der Zeitglieder erreichen, daß die Taktgeneratoren nacheinander synchronisiert werden. So können beispielsweise die Impulsdauern der Zeitglieder TD 1 und TD 2 des ersten Taktgenerators auf 200 ms und 400 ms, die Impulsdauern der Zeitglieder des zweiten Taktgenerators auf 600 ms und 800 ms, die Impulsdauern der Zeitglieder des dritten Taktgenerators auf 1000 ms und 1200 ms und schließlich die Impulsdauern der Zeitglieder des vierten Taktgenerators auf 1400 ms und 1600 ms eingestellt werden.

Wenn nunmehr einer der laufenden Taktgeneratoren ausfällt, so kann bei einem Teil der Fehler der Überwachungsschaltkreis des defekten Taktgenerators den Ausfall erkennen und ihn durch Sperren des ersten und zweiten Verstärkers 11 und 12 unschädlich machen und durch die Kontrollanzeige S 1 melden. Dies ist möglich, wenn im Mehrheitsentscheider V, im Phasenkomparator PC, im Tiefpaßfilter LPF, im Oszillator VCXO oder im Frequenzteiler FD ein Defekt auftritt. Es können jedoch auch andere Fehler auftreten, beispielsweise Leitungsbruch oder Leitungsschluß auf den Kontrolltaktleitungen, Versorgungsspannungsausfall bei einem Taktgenerator, Defekte in den Verstärkern 11 oder 12 oder in den Entkopplungschaltkreisen DC 11 oder DC 12. Um auch diese Fehler zu erfassen, ist in jedem Taktgenerator eine Kontrolle der anderen Taktgeneratoren durch die Überwachungsschaltkreise U 2, U 3 und U 4 vorgesehen. Wenn diese Überwachungsschaltkreise einen Fehler auf einem Kontrolltaktleitungspaar erkennen, so wird dies angezeigt und das gestörte Kontrolltaktleitungspaar wird beim Mehrheitsentscheid nicht mehr berücksichtigt.

Fig. 4 zeigt den Aufbau des Überwachungsschaltkreises U 1 des Taktgenerators 1. Das Prinzip dieses Überwachungsschaltkreises besteht darin, daß nachtriggerbare Zeitstufen 21 und 22 jeweils mit der positiven Flanke der Kontrolltaktsignale angestoßen werden. Die Abfallverzögerung der Zeitstufen ist etwas größer als eine Periodendauer bei der kleinstmöglichen Frequenz. Die Ausgangssignale der Zeitstufen 21 und 22 liegen daher immer auf H-Signal, solange in jeder Periode ein Taktsignal erscheint. Ein Abfall einer Zeitstufe erfolgt nur dann, wenn ein Kontrolltaktsignal ausbleibt.

Die Kontrolltaktsignale auf den Kontrolltaktleitungen L 11 und L 12 werden über die Entkoppelschaltkreise DC 11 und DC 12 auf die beiden nachtriggerbaren Zeitstufen 21 bzw. 22 gegeben. Die Ausgänge der beiden nachtriggerbaren Zeitstufen 21 und 22 sind auf die Eingänge eines NAND-Gatters 20 geschaltet. Dem NAND-Gatter 20 ist ein weiteres NAND-Gatter 16 und diesem ein NAND-Gatter 23 nachgeschaltet. Im ungestörten Betrieb liegen die Ausgänge der beiden nachtriggerbaren Zeitstufen 21 und 22 ständig für H-Signal. An den Ausgängen der NAND-Gatter 20 und 23 erscheint ständig ein L-Signal. Wenn ein Takt in einem der Kontrolltaktsignale auf den Kontrolltaktleitungen ein L 11 oder L 12 ausbleibt, so wechselt der Ausgang der betreffenden Zeitstufe 21 oder 22 auf L-Signal. Am Ausgang des NAND-Gatters 20 erscheint ein H-Signal, das von der Anzeige S 1 gemeldet wird. Über das Gatter 23 wird außerdem ein H-Signal zum Sperren der NOR-Gatter 9 und 10 und damit der Verstärker 11 und 12 abgegeben.

Als weiteres Überwachungskriterium wird durch ein Exklusiv-ODER-Gatter 17 ein Vergleich der beiden Kontrollsignale untereinander durchgeführt. Der Ausgang des Exklusiv-ODER-Gatters 17 ist auf einen invertierenden Eingang des NAND-Gatters 20 geschaltet. Außerdem wird in einem weiteren Exklusiv-ODER-Gatter 18 ein Vergleich des verzögerten Kontrolltaktsignals auf der Kontrolltaktleitung L 11 mit dem Signal am Ausgang A 1 des Taktgenerators 1 durchgeführt.

Beim beschriebenen Synchronisiervorgang meldet der bisher beschriebene Überwachungsschaltkreis U 1 einen Fehler an der Anzeige S 1. Um jedoch eine Sperre der Gatter 9 und 10 beim Synchronsiervorgang zu verhindern, ist der zweite Eingang des NAND-Gatters 16 mit dem Ausgang der nachtriggerbaren Zeitstufe 22 verbunden, die ihrerseits vom verzögerten Kontrolltaktsignal angestoßen wird, das jedoch erst nach Ablauf der Freigabeverzögerung durch das Zeitglied TD 2 erscheint. Das NAND- Gatter 16 wird dadurch solange gesperrt, bis der Verstärker 12 freigegeben wird und der Ausgang der Zeitstufe 22 ein H-Signal führt.

Ein weiteres NAND-Gatter 15 ist zum Erkennen von Leitungsbrüchen auf der Kontrolltaktleitung L 12 vorgesehen. Die Eingänge des NAND-Gatters 15 sind mit dem Ausgang des Entkoppelschaltkreises DC 12 und über ein weiteres Invertierglied 19 mit dem Ausgang der Zeitstufe 22 verbunden. Im ungestörten Betrieb wird das ständige H-Signal der Zeitstufe 22 vom Invertierglied 19 in ein ständiges L-Signal invertiert. Bei einem Leitungsbruch der Kontrolltaktleitung L 12 führt der Ausgang des NAND-Gatters 15 ständig L-Signal, das über das weitere NAND-Gatter 23 zum Sperren der NOR-Gatter 9 und 10 und damit der Verstärker 11 und 12 ausgegeben wird.

Die weiteren Überwachungsschaltkreise U 2, U 3, U 4 sind in gleicher Weise aufgebaut, jedoch ist die Beschaltung dieser Eingänge und Ausgänge modifiziert, wie in Fig. 1 ersichtlich ist. Der obere Eingang der weiteren Überwachungsschaltkreise U 2, U 3, U 4 wird nicht mit dem Ausgang A 1 des Taktgenerators, sondern mit dem das Referenztaktsignal führenden Ausgang A _M des Mehrheitsentscheiders V beschaltet. Die beiden weiteren Eingänge der weiteren Überwachungsschaltkreise U 2, U 3, U 4 werden jeweils mit einem der Kontrolltaktleitungspaare L 21, L 22 bzw. L 31, L 32 bzw. L 41, L 42 verbunden. Die Störungsmeldungsausgänge der weiteren Überwachungsschaltkreise werden jeweils mit einer Anzeige verbunden, beispielsweise wird der Störungsmeldungsausgang des Überwachungsschaltkreises U 2 mit einer Anzeige S 2 verbunden. Die Sperrsignalausgänge der Überwachungsschaltkreise U 2, U 3, U 4 werden jeweils mit den Sperreingängen des Mehrheitsentscheiders V für das betreffende Kontrolltaktleitungspaar verbunden. Durch ein Sperrsignal eines Überwachungschaltkreises wird das entsprechende Kontrolltaktleitungspaar bei Mehrheitsentscheid nicht mehr berücksichtigt.

In Fig. 4 ist der Aufbau eines Überwachungsschaltkreises mit logischen Schaltelementen dargestellt. Es ist jedoch insbesondere auch möglich, die logischen Funktionen eines derartigen Überwachungsschaltkreises mit Hilfe eines programmierbaren Festwertspeichers (PROM) zu realisieren. Ein derartiger Überwachungsschaltkreis besteht dann aus den beiden Zeitgliedern 21 und 22 und einen Festwertspeicher, dessen Adreßeingänge mit den Ausgängen der beiden Zeitstufen, den Kontrolltaktleitungen, und dem Ausgang A 1 bzw. A _M beschaltet sind. Die Signale auf diesen Leitungen bilden die Adressierung des Festwertspeichers. In Abhängigkeit von der jeweiligen, durch die Eingangssignale bestimmte Adresse gibt der Festwertspeicher Binärworte aus, die als Störungsmeldung und als Sperrsignale für das betreffende Kontrolltaktleitungspaar interpretiert werden.

Fig. 5 zeigt einen aus logischen Bauelementen aufgebauten Mehrheitsentscheider V. Der Mehrheitsentscheider V realisiert die Forderung, daß bei einer geradzahligen Anzahl von Signaleingängen das H-Signal bei "Stimmengleichheit" bevorzugt wird. Der dargestellte Mehrheitsentscheider V soll ein H-Signal ausgeben, wenn auf vier oder mehr als vier seiner Eingänge E 11, E 12, E 21, E 22, E 31, E 32, E 41, E 42 ein H-Signal ansteht. Ansonsten soll er ein L-Signal abgeben. Weiterhin soll der Mehrheitsentscheider V Signale auf einem Eingangsleitungspaar beim Mehrheitsentscheid nicht berücksichtigen, wenn am betreffenden Sperreingang ein Sperrsignal erscheint. Es sollen beispielsweise die Signale auf den Eingängen E 21 und E 22 nicht mehr berücksichtigt werden, wenn am zugehörigen Sperreingang K 2 ein Sperrsignal ansteht.

Der Mehrheitsentscheider V enthält acht NOR-Gatter 24 bis 31 mit je 5 Eingängen. Die Eingänge der NOR-Gatter 24 bis 31 sind jeweils mit fünf der Eingänge E 11 bis E 42 des Mehrheitsentscheiders verbunden, wobei die Eingangsbeschaltung der NOR-Gatter 24 bis 31 mit den Eingängen des Mehrheitsentscheiders in zyklischer Vertauschung vorgenommen ist. Die Ausgänge der NOR-Gatter 24 bis 31 sind mit den Eingängen eines weiteren NOR-Gatters 32 verbunden, dessen Ausgang A _M das Referenztaktsignal führt. Der Eingang E 11 ist über ein Laufzeitglied 36 mit dem Ausgang A 11 verbunden. Durch ein entsprechendes Laufzeitglied 36 kann erreicht werden, daß die Signallaufzeit zwischen dem Eingang E 11 und dem Ausgang A 11 die gleiche ist wie zwischen den weiteren Eingängen, beispielsweise zwischen dem Eingang E 42 und dem Ausgang A _M .

Jeweils einem Eingangspaar des Mehrheitsentscheiders V ist eine aus Gattern aufgebaute Schaltung zugeordnet, die den Zweck hat, daß bei einem Sperrsignal eines Überwachungsschaltkreises die Signale auf diesem Eingangsleitungspaar den Mehrheitsentscheid nicht mehr beeinflussen. Für das Eingangsleitungspaar E 21, E 22 besteht diese Gatter-Schaltung aus einem UND-Gatter 33, einem ODER-Gatter 34 und einem Invertierglied 35. Die Eingänge des ODER-Gatters 34 sind mit dem Eingang E 22 und dem Sperrsignaleingang K 2 verbunden. Die Eingänge des UND-Gatters 33 sind mit dem Eingang E 21 und mit dem Invertierglied 35 verbunden, das seinerseits eingangsseitig mit dem Sperreingang K 2 beschaltet ist. Wenn auf dem Sperreingang K 2 ein H-Signal als Sperrsignal erscheint, so wird dieses auf den Ausgang des ODER- Gatters 34 durchgeschaltet, so daß am Ausgang des ODER-Gatters 34 ständig ein H-Signal ansteht. Das H-Sperrsignal wird im Invertierglied 35 in ein L-Signal invertiert und sperrt das UND-Gatter 33. Am Ausgang des UND-Gatters 33 erscheint somit ständig ein L-Signal. Unabhängig von den Signalen auf den Eingängen E 21 und E 22 wird somit ein H-Signal und L-Signal in die eigentliche Mehrheitsentscheiderlogik eingespeist.

Allgemein kann ein derartiger Mehrheitsentscheider V für eine geradzahlige Anzahl n von Eingängen aus ebensovielen NOR-Gattern aufgebaut werden, die jeweils n/2 + 1 Eingänge aufweisen und deren Ausgänge über ein weiteres NOR-Gatter mit n-Eingängen verknüpft werden.

Ein derartiger Mehrheitsentscheider kann aber auch mit Hilfe eines programmierten Festwertspeichers realisiert werden, beispielsweise mit einem Read Only Memory ROM, einem Programmable Read Only Memory PROM oder einem Programmable Logik Array PLA. Die Signale auf den Eingängen und die Sperrsignale bilden hierbei die Adressen für den Festwertspeicher, der in Abhängigkeit von der jeweils anliegenden Adressierung ein binäres Wort ausgibt, welches als Referenztaktsignal bzw. als Variablentaktsignal auf die Eingänge des Phasenkomparators PC geschaltet wird.

Claims (4)

1. Taktversorgungssystem mit einer Anzahl von gleichartig aufgebauten Taktgeneratoren, die jeweils einen Phasenregelkreis mit einem spannungsgesteuerten Oszillator sowie einen Phasenkomparator enthalten, wobei die Taktsignale sämtlicher Oszillatoren einem Mehrheitsentscheider (5) zum Bilden des Systemtaktes zugeführt sind, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) jeder Taktgenerator (1) enthält einen weiteren Mehrheitsentscheider (V), dessen Eingänge (E 11, E 12; E 21, E 22; E 31, E 32; E 41, E 42) mit jeweils zwei vom eigenen Oszillator (VCXO) abgeleiteten Kontrolltaktsignalen (E 11, E 12) und mit jeweils zwei von den Oszillatoren der anderen Taktgeneratoren (2, 3, 4) abgeleiteten Kontrolltaktsignalen (E 21, E 31, E 32, E 41, E 42) beaufschlagt sind,
• b) die Kontrolltaktsignale werden jeweils mittels zweier abschaltbarer Verstärker erzeugt, von denen der erste Verstärker (11) eingangsseitig über ein Verzögerungsglied (7, 8) mit dem Taktausgang des Oszillators (VCXO) des zugehörigen Taktgenerators (1) und der zweite Verstärker (12) eingangsseitig unmittelbar mit dem Taktausgang des Oszillators (VCXO) des zugehörigen Taktgenerators (1) verbunden ist,
• c) der Mehrheitsentscheider (V) bildet aus den ihm eingangsseitig zugeführten Kontrolltaktsignalen ein Referenztaktsignal, dessen Taktimpulse jeweils den Kontrolltaktimpulsen auf der Mehrzahl seiner Eingänge entsprechen,
• d) der Referenzeingang (RI) des Phasenkomparators (PC) ist mit dem Referenztaktsignal des Mehrheitsentscheiders (V) und der Variableneingang (VI) des Phasenkomparators (PC) ist mit dem verzögerten Kontrolltaktsignal vom ersten Verstärker (11) beaufschlagt.

2. Taktversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten und dem zweiten Verstärker (11, 12) zum Erzeugen der Kontrolltaktsignale jeweils eine Sperrschaltung (9, TD 1 bzw. 10, TD 2) zugeordnet ist, die beim Anlegen der Versorgungsspannung den betreffenden Verstärker für eine vorgegebene Zeitdauer sperrt.

3. Taktversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Taktgenerator den beiden Kontrolltaktsignalen aller Taktgeneratoren (1, 2, 3, 4) jeweils ein Überwachungsschaltkreis (U 1, U 2, U 3, U 4) zugeordnet ist, der bei einer Störung den Mehrheitsentscheider (V) so beeinflußt, daß die beiden Kontrolltaktsignale beim Mehrheitsentscheid nicht mehr berücksichtigt werden.

4. Taktversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Taktgenerator (z. B. 1) der Steuerspannungseingang des Oszillators (VCXO) an den Mittelpunkt eines Spannungsteilers (R 1, R 2) geschaltet ist, dessen Mittelpunkt über eine Diode (D) mit dem Ausgang des Tiefpaßfilters (LPF) verbunden ist, und daß Maßnahmen für eine definierte Drift der Filterausgangsspannung getroffen sind.