DE3909200A1 - Verfahren und einrichtung zur taktsignalaufbereitung fuer eine taktgesteuerte schaltungsanordnung - Google Patents

Verfahren und einrichtung zur taktsignalaufbereitung fuer eine taktgesteuerte schaltungsanordnung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung, insbesondere für Mikrorechner, bei dem ein Taktsignal erzeugt wird, das ein vorgegebenes Tastverhältnis und eine vorgegebene Taktfrequenz aufweist und der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zugeführt wird, und Einrichtungen zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung, insbesondere für Mikrorechner, mit einer Takterzeugungseinrichtung in und/oder außerhalb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung, die mit einem Taktsignaleingang in oder an der taktgesteuerten Schaltungsanordnung verbunden ist.
Taktgesteuerte Schaltungsanordnungen, insbesondere Mikrorechner, weisen im allgemeinen einen Takteingang auf, über den der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ein Taktsignal zugeführt wird, das ein vorgegebenes Tastverhältnis und eine vorgegebene Taktfrequenz aufweist. Taktgesteuerte Schaltungsanordnungen, insbesondere Mikrorechner, dieser Art sind z.B. in dem Buch "Digitale Schaltungen von Manfred Seifart, erschienen im Hüthig Verlag, 1986, Seiten 296 ff.", bekannt. Das an dem Takteingang angelegte Taktsignal steuert alle Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung. Die Erzeugung der Taktsignale kann dabei durch eine Takterzeugungseinrichtung erfolgen, die einer oder mehreren taktgesteuerter Schaltungsanordnungen zugeordnet sein kann. Die Takterzeugungseinrichtung kann dabei z.B. als ein Quarzoszillator ausgebildet sein. Beispiele für verwendbare Oszillatoren sind z.B. in dem Buch "Analoge Schaltungen von Manfred Seifart, erschienen im Hüthig Verlag 1987, Seite 432 ff.", beschrieben. Einer der gebräuchlichsten Oszillatoren ist der Parallel-Quarzoszillator. Dieser Oszillator-Typ weist einen invertierenden Verstärker, einen Quarz in Parallelschaltung zu dem Verstärker, einen Widerstand in Parallelschaltung zu dem Verstärker und dem Quarz, und zwei Kondensatoren auf, die jeweils eine Anschlußelektrode des Quarzes mit der Masse verbinden. Wie aus dem Buch "Digitale Schaltungen von Manfred Seifart, erschienen im Hüthig Verlag 1986, S. 396 ff.", bekannt ist, werden der Quarz und die beiden Kondensatoren bei einem Ein-Chip-Mikrorechner häufig außerhalb des Mikrorechners angeordnet.
Bei dieser Anordnung und Erzeugung des Taktsignals, aber auch bei jeder anderen Taktsignalerzeugung, bei der einer taktgesteuerten Schaltungsanordnung ein Taktsignal von außerhalb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zugeführt wird, ergibt sich der Nachteil, daß durch elektromagnetische Störeinflüsse auf die Zuführungsleitungen des Taktsignals oder die Erzeugungsleitungen der Takterzeugungseinrichtung, das erzeugte Taktsignal oder das der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zugeführte Taktsignal Fehler aufweisen kann. Die Fehler können z.B. darin bestehen, daß einzelne Takte oder eine Anzahl von Takten fehlen, daß die Taktfrequenz größer oder kleiner ist als die erforderliche zu erzeugende Taktfrequenz oder aber, daß die High- und/oder Low-Phasen der Takte eine vorgeschriebene Mindestlänge unterschreiten. Diese genannten Fehler können dazu führen, daß die Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung nicht ordnungsgemäß ablaufen können, wodurch Fehlfunktionen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung bedingt werden können und die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung nicht gewährleistet sein kann, was insbesondere bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen zu gefährlichen Situationen führen kann.
Zudem erweist sich als nachteilig, daß durch Fehlanpassungen der an dem Takteingang anliegenden Taktsignale zu den erforderlichen Taktsignalen, die durch Temperatureinflüsse oder Änderungen der Spannungen hervorgerufen sein können, Fehlfunktionen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung entstehen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf einfache und kostengünstige Art und Weise die Störfestigkeit und die Sicherheit bei dem Betrieb taktgesteuerter Schaltungsanordnungen zu erhöhen.
Die Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß das erzeugte Tastverhältnis und/oder die Taktfrequenz auf Abweichungen von vorgegebenen Werten geprüft wird, daß bei Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz von den vorgegebenen Werten eine Veränderung des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz erfolgt und daß bei dem Vorliegen von vorgegebenen Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die taktgesteuerte Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand festhält oder eine Notlauffunktion steuert.
Es ist von Vorteil, daß das erzeugte Tastverhältnis und/oder die Taktfrequenz auf Abweichungen von vorgegebenen Werten geprüft wird, weil somit Fehler in dem, der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zugeführten, Taktsignal in bezug auf das Tastverhältnis und/oder die Taktfrequenz festgestellt werden können, die durch elektromagnetische Störeinstrahlung durch Temperatureinflüsse und durch Schwankungen der Spannung entstehen können.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß bei Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz von den vorgegebenen Werten, eine Veränderung des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz erfolgt, weil somit sichergestellt wird, daß der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ein Taktsignal mit einem Tastverhältnis und einer Taktfrequenz zugeführt wird, das sicherstellt, daß alle Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zuverlässig durchgeführt werden können, auch wenn an dem Takteingang der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ein Taktsignal anliegt, das Fehler aufweist.
In diesem Zusammenhang erweist sich als besonders vorteilhaft, daß bei dem Vorliegen von vorgegebenen Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die taktgesteuerte Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand festhält oder eine Notlauffunktion steuert, weil somit sichergestellt wird, daß auch bei einem Ausbleiben von Taktsignalen oder bei einem Nichteinhalten einer vorgegebenen minimalen Länge der High- und/oder Low-Phasen der Takte die taktgesteuerte Schaltungsanordnung keine Fehlfunktionen aufweist, die z.B. in falschen Steuerbefehlen bestehen können. Durch das Festhalten der taktgesteuerten Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand wird zudem ermöglicht, daß die taktgesteuerte Schaltungsanordnung den Betrieb ordnungsgemäß fortsetzt, sobald die an dem Takteingang anliegenden Taktsignale keine Fehler mit vorgegebenen Abweichungen mehr aufweisen. Durch das Ansteuern einer Notlauffunktion wird zudem bei einem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung, z.B. in einem Kraftfahrzeug, bei dem es zu gefährlichen Situationen kommen kann, wenn aufgrund von fehlerhaften Taktsignalen Fehlfunktionen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung auftreten, ein Weiterarbeiten der taktgesteuerten Schaltungsanordnung sichergestellt, wodurch gefährliche Situationen vermieden werden können und die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß die vorgegebenen Werte Mindest- und/oder Höchstwerte für die Taktfrequenz und/oder die Dauer der High- und/oder Low-Phasen der Taktsignale sind, ergibt sich der Vorteil, daß der taktgesteuerten Schaltungsanordnung jederzeit ein Taktsignal zugeführt wird, bei dem die Taktfrequenz Mindest- und/oder Höchstwerte einhält und/oder die Dauer der High- und/oder Low-Phasen Mindest- und/oder Höchstwerte nicht überschreiten oder unterschreiten, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung und die Störfestigkeit erhöht werden.
Die gleichen Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn die Veränderungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz durch Regeln der Taktfrequenz und/oder der Dauer der High- und/oder der Low-Phasen der Taktsignale erfolgt.
Es ist von Vorteil, daß die vorgegebenen Abweichungen in einem Ausbleiben der Taktsignale über eine vorgegebene Zeit oder in einem Unter- und/oder Überschreiten von Minimal­ und/oder Maximalwerten der Taktfrequenz bestehen, weil somit sichergestellt wird, daß die taktgesteuerte Schaltungsanordnung nur dann in einem vorgegebenen Zustand festgehalten wird oder eine Notlauffunktion gesteuert wird, wenn bestimmte vorgegebene Abweichungen vorliegen, was die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht.
Dadurch, daß das erzeugte Ausgangssignal einen vorgegebenen festen Spannungswert aufweist oder ein Taktsignal ist, ergibt sich der Vorteil, daß auf einfache und kostengünstige Weise zum einen ein Festhalten der taktgesteuerten Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand ermöglicht wird oder aber durch die Erzeugung eines Taktsignals eine Notlauffunktion gesteuert wird.
Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gelöst, daß der Taktsignaleingang mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung verbunden ist, die einen Taktausgang aufweist und als ein Phasenregelkreis (phase locked loop) ausgebildet ist.
Es ist von Vorteil, daß der Taktsignaleingang mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung verbunden ist, die einen Taktausgang aufweist und als ein Phasenregelkreis (phase locked loop) ausgebildet ist, weil somit auf einfache und kostengünstige Weise sichergestellt wird, daß bei Fehlern des Taktsignals, das an dem Taktsignaleingang anliegt und die durch elektromagnetische Störungen, durch Temperatureinflüsse oder durch Änderungen der Spannung bedingt sein können, an dem Taktausgang der Taktsignalaufbereitungseinrichtung ein Taktsignal ansteht, das sicherstellt, daß alle Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ordnungsgemäß ablaufen, obwohl das an dem Taktsignaleingang anliegende Taktsignal Fehler aufweist, wodurch die Störfestigkeit und die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht wird. Dies insbesondere, da auch bei einem Ausbleiben der Taktsignale von einer Takterzeugungseinrichtung oder bei lang anhaltenden Störungen des Taktsignals an dem Taktausgang ein Taktsignal ansteht, das einen ununterbrochenen Weiterbetrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung sicherstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß der Phasenregelkreis einen Phasenvergleicher enthält, dessen erster Eingang mit dem Taktsignaleingang verbunden ist, daß der Phasenvergleicher über ein Zeitglied mit einem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden ist und daß der Ausgang des Oszillators zum einen mit dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers und zum anderen mit dem Taktsignalausgang verbunden ist, ergibt sich der Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Ausführungsform und einer einfachen und kostengünstigen Herstellbarkeit der Taktsignalaufbereitungseinrichtung und durch den einfachen Aufbau gleichzeitig eine hohe Störfestigkeit und Sicherheit bei dem Betrieb der Taktsignalaufbereitungseinrichtung.
Es ist von Vorteil, daß das Zeitglied als ein Tiefpaßfilter ausgebildet ist, wobei ein erster Widerstand in der Verbindung zwischen dem Phasenvergleicher und dem Oszillator angeordnet ist und ein erster Kondensator diese Verbindung mit der Gerätemasse verbindet, weil somit ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Zeitglieds realisiert werden kann und zudem sichergestellt wird, daß bei einer zu hohen Taktfrequenz des Taktsignals und/oder zu kurzen High­ und/oder Low-Phasen des Taktsignals eine Regelung der an dem Taktausgang anliegenden Taktfrequenz erfolgt.
Dadurch, daß der Phasenvergleicher ein Exklusiv-ODER-Gatter ist, ergibt sich der Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus der Einrichtung.
Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung nach Anspruch 10 dadurch gelöst, daß der erste Taktsignaleingang mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung verbunden ist, die einen Taktausgang aufweist, wobei die Taktsignalaufbereitungseinrichtung aus einer Reihenschaltung einer vorgegebenen Anzahl Inverter, die jeweils eine definierte Schaltschwelle aufweisen, einen ersten Tiefpaß, bestehend aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand, und einem zweiten Tiefpaß, bestehend aus einem dritten Kondensator und einem dritten Widerstand, aufgebaut ist, daß der Ausgang des ersten Inverters über den zweiten Kondensator mit dem Ausgang des dritten Inverters verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Inverters über den dritten Kondensator mit dem Ausgang des vierten Inverters verbunden ist und daß dem ersten Inverter der zweite Widerstand und dem zweiten Inverter der dritte Widerstand zugeordnet ist.
Es ist von Vorteil, daß der Taktsignaleingang mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung verbunden ist, die einen Taktausgang aufweist, wobei die Taktsignalaufbereitungseinrichtung aus einer Reihenschaltung, einer vorgegebenen Anzahl Inverter, die jeweils eine definierte Schaltschwelle aufweisen, einem ersten Tiefpaß, bestehend aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand, und einem zweiten Tiefpaß, bestehend aus einem dritten Kondensator und einem dritten Widerstand, aufgebaut ist, weil sich somit ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Einrichtung ergibt.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß der Ausgang des ersten Inverters über den zweiten Kondensator mit dem Ausgang des dritten Inverters verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Inverters über den dritten Kondensator mit dem Ausgang des vierten Inverters verbunden ist und daß dem ersten Inverter der zweite Widerstand und dem zweiten Inverter der dritte Widerstand zugeordnet ist, weil somit durch diese Reihenschaltung der Inverter, der den Invertern zugehörigen Schaltschwellen und der Anordnung der Tiefpässe gewährleistet wird, daß auch bei an dem Takteingang anliegenden Taktsignalen deren High- und/oder Low-Phasen eine Mindestlänge unterschreiten oder aber eine zu hohe Taktfrequenz aufweisen, an dem Taktausgang ein Taktsignal anliegt, das sowohl für die High- als auch für die Low-Phasen der Takte eine vorgegebene Mindestlänge aufweist, wodurch die Sicherheit und die Störfestigkeit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei, daß es z.B. bei einem Ausbleiben der Taktsignale an dem Taktsignaleingang der Taktausgang einen vorgegebenen Signalpegel aufweist, wodurch die taktgesteuerte Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand festgehalten wird und nach dem Wiedervorliegen eines Taktsignals an dem Taktsignaleingang ein unterbrechungsfreies Anlaufen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ermöglicht wird, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung weiter erhöht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß der zweite Widerstand der Innenwiderstand des ersten Inverters ist, ergibt sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau.
Der gleiche Vorteil ergibt sich, wenn der dritte Widerstand der Innenwiderstand des zweiten Inverters ist.
Es ist von Vorteil, daß die Taktaufbereitungseinrichtung Teil der taktgesteuerten Schaltungsanordnung ist, weil somit eine einfache und kostengünstige Realisierung der Einrichtung möglich ist.
Dadurch, daß die taktgesteuerte Schaltungsanordnung und die Taktaufbereitungseinrichtung in CMOS-Technik ausgeführt sind, ergibt sich der Vorteil, daß es bei Temperaturschwankungen oder bei Änderungen der Spannung aufgrund einer gleichen Temperatur- und Spannungsabhängigkeit der taktgesteuerten Schaltungsanordnung und der Taktaufbereitungseinrichtung zu keinen Fehlanpassungen des an dem Taktsignaleingang anliegenden Taktsignals zu dem, für die taktgesteuerte Schaltungsanordnung erforderlichen Taktsignal kommen kann, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Blockschaltbild einer Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung.
Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S). Die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) kann dabei z. B. als ein Mikrorechner ausgebildet sein, sie kann jedoch auch eine beliebige taktgesteuerte Schaltungsanordnung sein.
Die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) weist einen Taktsignaleingang (TE) auf. Der Taktsignaleingang (TE) ist elektrisch leitend mit einer Takterzeugungseinrichtung (O) verbunden.
Die Takterzeugungseinrichtung (O) kann dabei Teil der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) sein, sie kann jedoch auch getrennt von der taktgesteuerten Schaltungsanordnung angeordnet sein und/oder eine Mehrzahl taktgesteuerter Schaltungsanordnungen (S) mit einem Taktsignal versorgen. Demnach kann der Taktsignaleingang (TE) der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) in oder an der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) angeordnet sein.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Takterzeugungseinrichtung (O) beispielhaft als ein Parallel-Quarzoszillator ausgebildet. Je nach den, durch die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) vorgegebenen, Anforderungen kann die Takterzeugungseinrichtung (O) auch durch andere Oszillatorschaltungen gebildet sein.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Takterzeugungseinrichtung (O) aus einem invertierenden Verstärker (V), einem vierten Widerstand (R 4), einem Quarz (Q), einem vierten Kondensator (C 4) und einem fünften Kondensator (C 5) aufgebaut. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers (V) ist elektrisch leitend mit dem Taktsignaleingang (TE) verbunden. Parallel zu dem invertierenden Verstärker (V) ist der vierte Widerstand (R 4) angeordnet. Parallel zu dem vierten Widerstand (R 4) ist der Quarz (Q) angeordnet. Die erste Elektrode des Quarzes (Q) ist elektrisch leitend über den vierten Kondensator (C 4) mit der Gerätemasse verbunden. Die zweite Elektrode des Quarzes (Q) ist elektrisch leitend über den fünften Kondensator (C 5) mit der Gerätemasse verbunden. Der Quarz (Q), der vierte Kondensator (C 4) und der fünfte Kondensator (C 5) sind dabei üblicherweise außerhalb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) angeordnet.
Der Taktsignaleingang (TE) ist elektrisch leitend mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) in der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) verbunden. Die Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) weist einen Taktausgang (TA) auf, über den die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) mit Taktsignalen versorgt wird.
Die Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) ist hier in einfacher und kostengünstiger Weise als ein Phasenregelkreis (phase locked loop) ausgeführt. Der Taktsignaleingang (TE) ist dabei elektrisch leitend mit einem ersten Eingang eines Phasenvergleichers (P) verbunden. Der Ausgang des Phasenvergleichers (P) ist über ein Zeitglied (Z) mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verbunden. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) ist zum einen elektrisch leitend mit dem Taktausgang (TA) und zum anderen elektrisch leitend mit dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers (P) verbunden.
Der Phasenvergleicher (P) kann dabei z. B. als ein Exklusiv-ODER-Gatter ausgebildet sein. In Anpassung an die vorgegebenen Anforderungen sind für den Phasenvergleicher (P) auch andere Vergleichsschaltungen oder Bauelemente denkbar.
Das Zeitglied (Z) ist hier beispielhaft als ein Tiefpaß ausgebildet, der aus einem ersten Widerstand (R 1) in der Verbindung zwischen dem Ausgang des Phasenreglers (P) und dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) und aus einem ersten Kondensator (C 1) besteht, über den die Verbindung zwischen dem Ausgang des Phasenvergleichers (P) und dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) mit der Gerätemasse verbunden ist.
Die Spannungsversorgung der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) ist in dieser Darstellung nicht gezeigt.
Es folgt eine kurze Erläuterung der Funktionsweise der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für taktgesteuerte Schaltungsanordnungen (S).
Damit alle Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) einwandfrei ablaufen können und Fehlfunktionen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) vermieden werden, ist es erforderlich, daß der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) ein Taktsignal zugeführt wird, das ein vorgegebenes Tastverhältnis und eine vorgegebene Taktfrequenz aufweist. Dabei ist es insbesondere erforderlich, daß die High- und/oder Low-Phasen der einzelnen Takte eine vorgegebene Mindestlänge nicht unterschreiten, damit sichergestellt ist, daß alle Schalt­ und Rechenprozesse von der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) durchgeführt werden können.
Liegt an dem Taktsignaleingang (TE) ein Taktsignal an, das diese Bedingungen erfüllt, so liegt auch an dem Taktausgang (TA) der Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) dieses Taktsignal an. Das heißt, daß dem Phasenvergleicher (P) zugeführte Signal von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) stimmt in der Frequenz und in der Phase mit dem an dem Taktsignaleingang (TE) anliegenden Signal überein.
Treten Störungen in dem an dem Taktsignaleingang (TE) anliegenden Taktsignal auf, die z. B. darin bestehen können, daß die Taktfrequenz zu hoch ist oder aber eine Mindestlänge für die High- und/oder Low-Phasen der einzelnen Takte unterschritten wird und die z. B. durch elektromagnetische Störeinflüsse, durch Temperatursschwankungen oder durch Spannungsschwankungen bedingt sein können, so ändert sich das Ausgangssignal des Phasenvergleichers (P) in Abhängigkeit von den Störungen. Dieses Ausgangssignal wird über das Zeitglied (Z) dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zugeführt. Das an dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) anliegende Signal ist ein Gleichspannungssignal, das eine Höhe aufweist, die von der Dauer der Störungen des Taktsignals und der Zeitkonstante des Zeitglieds (Z) abhängt. Die Taktfrequenz des an dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) anliegenden Taktsignals ist abhängig von diesem Gleichspannungssignal und wird zur Regelung dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers (P) zugeführt.
Sollte das an dem Taktsignaleingang (TE) anliegende Taktsignal sehr starke Störungen aufweisen oder ganz ausbleiben, so liegt an dem Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) ein Taktsignal an, das eine Taktfrequenz und ein Tastverhältnis aufweist, das für eine Notlauffunktion der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) geeignet ist, wodurch auch bei einem Ausfall der Taktsignale von der Takterzeugungseinrichtung (O) ein Weiterbetreiben der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) gewährleistet ist und die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung erhöht wird.
Sobald an dem Taktsignaleingang (TE) wieder ein Taktsignal mit einem vorgegebenen Tastverhältnis und einer vorgegebenen Taktfrequenz anliegt, so liegt auch an dem Taktausgang (TA) der Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) dieses Taktsignal an.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) dargestellt.
Die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) kann hier wie unter Fig. 1 beschrieben, ausgebildet sein. Auch die Takterzeugungseinrichtung (O) ist in der gleichen Weise ausgebildet, wie unter Fig. 1 beschrieben. Wie schon in Fig. 1 beschrieben, ist in Anpassung an die gegebenen Anforderungen auch jede andere Ausbildung der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) oder der Takterzeugungseinrichtung (O) möglich.
Die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) weist auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) auf, die zum einen mit einem Taktsignaleingang (TE) und zum anderen mit einem Taktausgang (TA) verbunden ist.
Der Taktsignaleingang (TE) ist dabei elektrisch leitend über einen ersten Inverter (I 1), einen zweiten Inverter (I 2), einen dritten Inverter (I 3), einen vierten Inverter (I 4) und einen fünften Inverter (I 5) mit dem Taktausgang (TA) verbunden. Dem ersten Inverter (I 1) ist ein zweiter Widerstand (R 2) zugeordnet. Der zweite Widerstand (R 2) kann dabei in vorteilhafter Weise der Innenwiderstand des ersten Inverters (I 1) sein. Der zweite Widerstand (R 2) kann aber auch als gesonderter Widerstand ausgebildet sein. Der Ausgang des ersten Inverters (I 1) ist elektrisch leitend über einen zweiten Kondensator (C 2) mit dem Ausgang des dritten Inverters (I 3) verbunden. Der zweite Widerstand (R 2) und der zweite Kondensator (C 2) bilden dabei einen ersten Tiefpaß. Dem zweiten Inverter (I 2) ist ein dritter Widerstand (R 3) zugeordnet, der der Innenwiderstand des zweiten Inverters (I 2) sein kann oder aber auch als gesonderter Widerstand ausgebildet sein kann. Der Ausgang des zweiten Inverters (I 2) ist elektrisch leitend über einen dritten Kondensator (C 3) mit dem Ausgang des vierten Inverters (I 4) verbunden. Der dritte Widerstand (R 3) und der dritte Kondensator (C 3) bilden dabei einen zweiten Tiefpaß. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der fünfte Inverter (I 5) entfallen, es können aber auch zwischen dem fünften Inverter (I 5) und dem Taktausgang (TA) weitere Inverter angeordnet sein.
Im folgenden wird kurz die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) unter Zuhilfenahme der Fig. 2 beschrieben.
Liegt an dem Taktsignaleingang (TE) ein Taktsignal an, das eine vorgegebene Taktfrequenz nicht übersteigt und eine vorgegebene Mindestlänge der High- und Low-Phasen der einzelnen Takte nicht unterschreitet, liegt auch an dem Taktausgang (TA) dieses Taktsignal an, das sicherstellt, daß alle Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) korrekt und vollständig abgearbeitet werden und keine Fehlfunktionen der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) auftreten.
Treten jedoch Störungen des an dem Taktsignaleingang (TE) anliegenden Taktsignals auf, die darin bestehen können, daß die Taktfrequenz zu hoch ist oder eine Mindestlänge der High- und Low-Phasen der einzelnen Takte unterschritten wird und die durch elektromagnetische Störeinstrahlungen, durch Temperaturschwankungen oder durch Spannungsschwankungen hervorgerufen werden können, so wird durch die oben beschriebene Schaltungsanordnung der Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) sichergestellt, daß an dem Taktausgang (TA) ein Taktsignal anliegt, bei dem sowohl in der High- als auch in der Low-Phase der Takte eine Mindestlänge gegeben ist, so daß alle Rechen- und Schaltprozesse, die durch das Taktsignal eingeleitet werden, vollständig durchgeführt werden können. Die gleiche Wirkung wird erzielt, wenn die Taktfrequenz des Taktsignals an dem Taktsignaleingang (TE) zu hoch ist. Die Mindestlängen der High- und Low-Phasen der Takte wird dabei dadurch gewährleistet, daß der erste und der zweite Tiefpaß eine Mitkopplung bewirken, da ein Durchschalten der Inverter (I 1, I 2, ...) erst nach dem jeweiligen Erreichen der Schaltschwellen der Inverter (I 1, I 2, ...) erfolgt. Das heißt, zu kurze Taktlängen der High- und Low-Phasen der Takte werden durch die in Mitkopplung angeordneten Tiefpässen ebenso wie eine zu hohe Taktfrequenz unterdrückt. Sollte das an dem Taktsignaleingang (TE) anliegende Taktsignal über einen Zeitraum ausbleiben, der größer ist als der, durch die Zeitkonstanten der Tiefpässe vorgegebene, Zeitraum in Verbindung mit den gegebenen Schaltschwellen der Inverter (I 1, I 2, ...), so liegt an dem Taktausgang (TA) ein Spannungssignal an, das einen vorgegebenen Wert aufweist und sicherstellt, daß die taktgesteuerte Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand festgehalten wird. Nach einem Wegfall der Störung des Taktsignals ist somit ein Fortsetzen aller Schalt- und Rechenprozesse der taktgesteuerten Schaltungsanordnung möglich, ohne daß ein Neustart durchgeführt werden müßte oder die taktgesteuerte Schaltungsanordnung rückgesetzt werden müßte.
Sind sowohl die taktgesteuerten Schaltungsanordnungen (S) als auch die in Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Taktsignalaufbereitungseinrichtungen (T) in CMOS-Technik ausgeführt und weisen die Taktaufbereitungseinrichtungen (T) die gleichen Temperatur- und Spannungsabhängigkeiten auf, wie die taktgesteuerten Schaltungseinrichtungen (S), so können auf einfache und kostengünstige Weise Fehlanpassungen zwischen der an dem Taktsignaleingang (TE) gelieferten Taktfrequenz und der von der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) geforderten Taktfrequenz ausgeglichen werden, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) erhöht wird.

Claims (14)

1. Verfahren zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung, insbesondere für Mikrorechner, bei dem ein Taktsignal erzeugt wird, das ein vorgegebenes Tastverhältnis und eine vorgegebene Taktfrequenz aufweist und der taktgesteuerten Schaltungsanordnung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Tastverhältnis und/oder die Taktfrequenz auf Abweichungen von vorgegebenen Werten geprüft wird, daß bei Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz von den vorgegebenen Werten eine Veränderung des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz erfolgt, und daß bei dem Vorliegen von vorgegebenen Abweichungen des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die taktgesteuerte Schaltungsanordnung in einem vorgegebenen Zustand festhält oder eine Notlauffunktion steuert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Werte Mindest- und/oder Höchstwerte für die Taktfrequenz und/oder für die Dauer der High- und/oder Low-Phasen der Taktsignale sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Tastverhältnisses und/oder der Taktfrequenz durch Regeln der Taktfrequenz und/oder der Dauer der High- und/oder Low-Phasen der Taktsignale erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebenen Abweichungen in einem Ausbleiben der Taktsignale über eine vorgegebene Zeit oder in einem Unter- und/oder Überschreiten von Minimal- und/oder Maximalwerten der Taktfrequenz bestehen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Ausgangssignal einen vorgegebenen festen Spannungswert aufweist oder ein Taktsignal ist.
6. Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung, insbesondere für Mikrorechner, mit einer Takterzeugungseinrichtung, in und/oder außerhalb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung, die mit einem Taktsignaleingang in oder an der taktgesteuerten Schaltungsanordnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktsignaleingang (TE) mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) verbunden ist, die einen Taktausgang (TA) aufweist und als ein Phasenregelkreis (phase locked loop) ausgebildet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregelkreis einen Phasenvergleicher (P) enthält, dessen erster Eingang mit dem Taktsignaleingang (TE) verbunden ist, daß der Phasenvergleicher (P) über ein Zeitglied (Z) mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verbunden ist und daß der Ausgang des Oszillators (VCO) zum einen mit dem zweiten Eingang des Phasenvergleichers (P) und zum anderen mit dem Taktausgang (TA) verbunden ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (Z) als ein Tiefpaßfilter ausgebildet ist, wobei ein erster Widerstand (R 1) in der Verbindung zwischen dem Phasenvergleicher (P) und dem Oszillator (VCO) angeordnet ist und ein erster Kondensator (C 1) diese Verbindung mit der Gerätemasse verbindet.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenvergleicher (P) ein Exklusiv-ODER-Gatter ist.
10. Einrichtung zur Taktsignalaufbereitung für eine taktgesteuerte Schaltungsanordnung, insbesondere für Microrechner, mit einer Takterzeugungseinrichtung in und/oder außerhalb der taktgesteuerten Schaltungsanordnung, die mit einem Taktsignaleingang in oder an der taktgesteuerten Schaltungsanordnung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktsignaleingang (TE) mit einer Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) verbunden ist, die einen Taktausgang (TA) aufweist, wobei die Taktsignalaufbereitungseinrichtung (T) aus einer Reihenschaltung einer vorgegebenen Anzahl Inverter (I 1, I 2, ...), die jeweils eine definierte Schaltschwelle aufweisen, einem ersten Tiefpaß, bestehend aus einem zweiten Kondensator (C 2) und einem zweiten Widerstand (R 2), und einem zweiten Tiefpaß, bestehend aus einem dritten Kondensator (C 3) und einem dritten Widerstand (R 3), aufgebaut ist, daß der Ausgang des ersten Inverters (I 1) über den zweiten Kondensator (C 2) mit dem Ausgang des dritten Inverters (I 3) verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Inverters (I 2) über den dritten Kondensator (C 3) mit dem Ausgang des vierten Inverters (I 4) verbunden ist und daß dem ersten Inverter (I 1) der zweite Widerstand (R 2) und dem zweiten Inverter (I 2) der dritte Widerstand (R 3) zugeordnet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R 2) der Innenwiderstand des ersten Inverters (I 1) ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Widerstand (R 3) der Innenwiderstand des zweiten Inverters (I 2) ist.
13. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktaufbereitungseinrichtung (T) Teil der taktgesteuerten Schaltungsanordnung (S) ist.
14. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die taktgesteuerte Schaltungsanordnung (S) und die Taktaufbereitungseinrichtung (T) in CMOS-Technik ausgeführt sind.
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