DE4321014B4

DE4321014B4 - Verfahren und Schaltungen zum Schutz von Eingängen von als integrierte Schaltungen vorliegenden Analogmultiplexern

Info

Publication number: DE4321014B4
Application number: DE19934321014
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Grubert (FH)
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: DE4321014A1

Abstract

Verfahren zum Schutz von Eingängen von als integrierte Schaltungen vorliegenden Analogmultiplexern (IC 10, 20, 21) gegen Effekte bei fehlerhaft zu hoher Ansteuerung eines Eingangs, wobei die Multiplexer-Eingänge (6, 7, 8, 9) an Sensoren (1, 2, 3, 4) angeschlossen sind, und die Ausgangsspannungen der Sensoren (1, 2, 3, 4) entweder in einem Mikrocontroller (12) eingelesen werden oder zur Verfügung stehen (Standby), gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) im Standby-Betrieb sind alle Eingänge (6, 7, 8, 9) der zu schützenden integrierten Schaltung (10) mit Masse (17) verbunden;
b) im Einlesebetrieb wird die Masseverbindung für den betreffenden einzulesenden Eingang der integrierten Schaltung (10, 20, 21) für die Dauer der Messung aufgehoben, wobei zur Steuerung der Masseverbindung der Mikrocontroller (12) vorgesehen ist, der über Leitungen (18, 19) den Multiplexer (10) sowie einen Dekoder (15) steuert und wobei die Eingänge über Dioden (16) an den Dekoder (15) angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schutz von Eingängen von als integrierte Schaltungen vorliegenden Analogmultiplexern gegen Effekte bei fehlerhaft zu hoher Ansteuerung eines Eingangs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf Schaltungen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Integrierte Schaltkreise (IC) mit mehreren Eingängen haben oft die nachteilige Eigenschaft, daß bei einer fehlerhaften Ansteuerung eines Eingangs mit einer Spannung, die höher ist als die Versorgungsspannung des ICs, ein unerwünschter Effekt auftritt. In diesem Fall ist eine ordnungsgemäße Funktion auch der anderen Eingänge des ICs nicht mehr möglich, da dann scheinbar an allen Eingängen eine zu hohe Spannung ansteht. Es ist auch nicht ohne weiteres möglich festzustellen, welcher Eingang gestört ist. Dieses Verhalten liegt an, der gebräuchlichen internen Schutzbeschaltung der ICs.

Das beschriebene Verhalten tritt insbesondere an ICs mit Analog-Eingängen auf. Ein typischer Fall ist ein Multiplexer mit nachgeschaltetem Analog-/Digital-Wandler. Falls einer der an den Eingängen des Multiplexers angeschlossenen Sensoren derart defekt ist, daß er eine zu hohe Ausgangsspannung liefert, tritt der oben beschriebene Effekt auf.

Aus der Druckschrift DE 34 22 132 C1 ist eine Schutzschaltung gegen Überspannungen für Halbleiter-Bauelemente bekannt. Bei dieser Schaltung, die nur bei abgeschalteter Betriebsspannung funktioniert, wird beim Auftreten einer Überspannung der betreffende Eingang des ICs automatisch mit Masse verbunden. Auf diese Weise kann sich die Überspannung nicht negativ auswirken.

Aus der US 4,017,687 ist weiter ein Schaltsystem für die Benutzung bei einem Hochgeschwindigkeits-Multiplexer bekannt. Dabei sind die einzelnen Eingangs-Schalter des Multiplexers in zwei Gruppen aufgeteilt. Die beiden Gruppen werden abwechselnd abgefragt. Während die Schalter der einen Gruppe offen sind, wird der Ausgang dieser Gruppe durch einen gemeinsamen Erdungsschalter geerdet. Hierdurch soll eine störende Spannung der Schalter, welche sich an deren Streukapazität aufgebaut hat, nach Erde abgeleitet bzw. zu Null reduziert werden.

Durch das bekannte System lässt sich die Abfragefrequenz des Multiplexers erhöhen. Außerdem wird ein Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen des Multiplexers verhindert. Der bekannte Erdungsschalter liegt am gemeinsamen Ausgang des Multiplexers. Die Eingänge des Multiplexers sind dagegen nicht mit Erdungsschaltern beschaltet.

Aus der US 4,361,839 ist schließlich ein Multiplexer bekannt, mit einem Verstärker, an den mehrere Signalquellen angeschlossen sind. Diese können vom Verstärker zyklisch abgefragt werden. Der Multiplexer ist zwischen Signalquellen und Verstärker geschaltet und läßt jeweils nur das Signal einer Quelle durch. Gleichzeitig werden die Signale der übrigen nicht abgefragten Quellen auf Masse geschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren und entsprechende Schaltungen anzugeben, mit der ein IC mit mehreren Eingängen bei zu hoher Ansteuerung eines Einganges wirksam gegen den obengenannten Effekt geschützt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 enthaltene Verfahren sowie die in den Patentansprüchen 3, 4, 5 enthaltenen Schaltungen gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Durch die Anwendung der Erfindung ergeben sich die folgenden Vorteile.

Zum einen können alle Eingangssignale am IC exakt eingelesen werden, ohne durch den obengenannten Effekt bei einem Fehler an einem benachbarten Eingang verfälscht zu werden. Weiter werden die internen Eingangsschutzdioden der ICs bei Überspannung an den Eingängen nur kurzzeitig während einer Messung belastet. Schließlich können Überspannungen an einzelnen Eingängen des ICs von einem auswertenden Mikrocontroller exakt lokalisiert und eine Fehlermeldung gegebenenfalls gespeichert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit diskreten Bauelementen,
2 eine weitere Schaltung, bei der Teile der in der 1 dargestellten Schaltung in einem Mikrocontroller integriert sind,
3 die Schaltung von 2, jedoch bei Verwendung eines Mikrocontrollers mit TRI-STATE-Ports.
In 1 ist als Blockschaltbild eine Regelschaltung, beispielsweise für die Temperaturregelung in einem Omnibus, dargestellt.
Sie besteht aus Temperatur-Sensoren (1–4), die über Vorwiderstände (5) an die Eingänge (6– 9) eines Multiplexers (10) (MUX) angeschlossen sind. Als Multiplexer (10) kann z. B. der Typ CD 4053 der Fa. Motorola verwendet werden. Der Ausgang (22) des Multiplexers (10) ist an einen Analog-/Digital-Wandler (A/D) (11) angeschlossen. Hier kann der Typ ADC 0831 der Fa. National Semiconductor verwendet werden.
Dieser ist über einen Bus an einen Mikrocontroller (12) angeschlossen. Hier kann der Typ 8505 der Fa. Phillips verwendet werden. Der Mikrocontroller (12) steuert über Leitungen (18, 19) den Multiplexer (10). Er ist weiter ausgangsseitig an einen Verstärker (13) sowie zu steuernde Geräte (14) angeschlossen. Diese können z. B. Lüfter, Heizer oder Lüftungsklappen sein. Die Eingänge (6– 9) des Multiplexers (10) sind weiter über Dioden (16) an einen Dekoder (15) (DEC) angeschlossen. Es kann der Typ 74 HC 239 der Fa. Phillips verwendet werden. Dieser besitzt eine Verbindung zu einer Masse (17). Er ist weiterhin an die bereits erwähnten Leitungen (18, 19) angeschlossen.
Die Schaltung nach (1) funktioniert wie folgt. Die Spannungswerte der (aktiven oder passiven) Sensoren (1 – 4) werden dem Multiplexer (10) zugeführt. Der Mikrocontroller (12) sucht sich je nach Bedarf einen der Sensoren aus durch entsprechende Ansteuerung über die Leitungen (18, 19). Die Leitungen (18, 19) werden kodiert angesteuert. Bei zwei Leitungen lassen sich damit 4 Zustände unterscheiden (0/0, I/I, 0/I, I/0) und somit die 4 Eingänge (6 bis 9) des Multiplexers (10) einzeln ansprechen. Hat der Multiplexer mehr als 4 Eingänge, müssen entsprechend mehr Steuerleitungen vorgesehen werden.
Nach A/D-Wandlung wird der entsprechende Wert im Mikrocontroller (12) verarbeitet, und die erwähnten Ausgangsgeräte (14) entsprechend der Programmierung des Mikrocontrollers angesteuert.
Der Dekoder (15) ist so geschaltet, daß nur der vom Mikrocontroller (12) gerade benötigte Eingang des Multiplexers (10) benutzbar ist, während alle anderen nicht benötigten Eingänge auf Null (Masse) geschaltet werden. Nur beim gerade benötigten Eingang schaltet der Dekoder (15) auf High; d. h. etwa 5 V Ausgangsspannung. Um dadurch die Meßwerte nicht zu beeinflussen, sind die erwähnten Dioden (16) zur Potentialentkopplung zwischengeschaltet.
Falls ein Mikrocontroller mit TRI-STATE-Ports zur Verfügung steht (vgl. Beschreibung zu 3), sind die Dioden nicht nötig.
Beim Auftreten eines Fehlers der oben beschriebenen Art an einem Eingang des Multiplexers (10), der bei spielsweise durch einen Kurzschluß der Sensorleitung nach Betriebsspannung oder durch einen defekten aktiven Sensor verursacht sein kann, wirkt sich dieser durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Schaltung nicht auf die anderen Eingänge des Multiplexers (10) aus. Die anderen, ungestörten Eingänge sind also weiterhin brauchbar.
Da beim gestörten Eingang die Überspannung nur für die relativ kurze Dauer der Messung ansteht, wird außerdem dieser Eingang in gewissem Maß vor Überspannungen geschützt. Das gesamte IC kann dadurch nicht dauerhaft geschädigt werden.
Im Standby-Betrieb, d. h. keiner der analogen Eingängen wird eingelesen, sind alle Eingänge des Multiplexers (10) nach Masse kurzgeschlossen.
Bei einer entsprechenden Programmierung kann der Mikrocontroller (12) einen fehlerhaften Kanal orten, wenn dieser ständig eine Überspannung aufweist. Der entsprechende Kanal kann dann abgeschaltet werden und der Mikrocontroller (12) kann eine Fehlermeldung generieren und den Fehler auch abspeichern.
Die 2 zeigt eine Ausführung der Schaltung nach (1), bei der die diskreten Bauteile Multiplexer (10), Dekoder (15) und Analog/-Digitalwandler (11) im Mikrocontroller (20) integriert sind. Es kann der Typ TMS 370 der Fa. Texas Instruments verwendet werden. Dabei wird der Dekoder im Rechner per Programm nachgebildet und an den Ports (P1–P4) ausgegeben. Diese sind als Push-Pull-Ports ausgebildet, d. h. sie können wie der Dekoder (15) entweder die Zustände low (L) oder high (H) einnehmen. Damit ergibt sich für die Ausbildung nach 2 dasselbe Verhalten wie für die Schaltung nach 1.
In der 3 ist eine gegenüber der 2 weiter vereinfachte Ausführung dargestellt, bei welcher die Dioden (16) entfallen. Hierzu wird ein Mikrocontroller (21,) verwendet, der sogenannte TRI-STATE-Ports (P1– P4) aufweist. Hier kann z. B. der Typ COP 888 der Fa. National Semiconductors verwendet werden. Die Ports können drei Zustände, nämlich null, hochohmig und high annehmen. Der zu messende Kanal des Multiplexers wird in diesem Fall auf hochohmig geschaltet, während die übrigen Kanäle nach Masse gezogen werden. Damit ergibt sich wiederum die gleiche prinzipielle Arbeitsweise der Schaltung.
Die Bausteine (13) (Verstärker) und (14) (angesteuerte Geräte) aus 1 sind in den 2 und 3 der Einfachheit halber weggelassen worden.

Claims

Verfahren zum Schutz von Eingängen von als integrierte Schaltungen vorliegenden Analogmultiplexern (IC 10, 20, 21) gegen Effekte bei fehlerhaft zu hoher Ansteuerung eines Eingangs, wobei die Multiplexer-Eingänge (6, 7, 8, 9) an Sensoren (1, 2, 3, 4) angeschlossen sind, und die Ausgangsspannungen der Sensoren (1, 2, 3, 4) entweder in einem Mikrocontroller (12) eingelesen werden oder zur Verfügung stehen (Standby), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) im Standby-Betrieb sind alle Eingänge (6, 7, 8, 9) der zu schützenden integrierten Schaltung (10) mit Masse (17) verbunden; b) im Einlesebetrieb wird die Masseverbindung für den betreffenden einzulesenden Eingang der integrierten Schaltung (10, 20, 21) für die Dauer der Messung aufgehoben, wobei zur Steuerung der Masseverbindung der Mikrocontroller (12) vorgesehen ist, der über Leitungen (18, 19) den Multiplexer (10) sowie einen Dekoder (15) steuert und wobei die Eingänge über Dioden (16) an den Dekoder (15) angeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (12) per Programmierung einen defekten Sensor (1, 2, 3, 4) erkennt und dessen Nummer zur späteren Identifizierung speichert.
Schaltung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) mehrere Sensoren (1, 2, 3, 4) sind an einen Multiplexer (10) angeschlossen; b) der Multiplexer-Ausgang (22) ist über einen Analog-/Digital-Wandler (11) an den Mikrocontroller (12) angeschlossen; c) an die Eingänge (6, 7, 8, 9) des Multiplexers (10) ist ein mit Masse (17) verbundener Dekoder (15) angeschlossen; d) der Mikrocontroller (12) steuert über Leitungen (18, 19) den Multiplexer (10) sowie den Dekoder (15).
Schaltung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) mehrere Sensoren (1, 2, 3, 4) sind an einen Mikrocontroller (20) mit integriertem Multiplexer (MUX) und Analog-/Digital-Wandler (A/D) an Eingänge (6, 7, 8, 9) angeschlossen; b) der Dekoder (15) ist im Mikrocontroller (20) realisiert und die Dioden (16) sind an Ports (P₁ bis P₄) des Mikrocontrollers (20) angeschlossen, wobei diese als PUSH-PULL-Ports ausgebildet sind.
Schaltung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) mehrere Sensoren (1, 2, 3, 4) sind an einem Mikrocontroller (21) mit integriertem Multiplexer (MUX) und Analog-/Digitalwandler (A/D) an Eingänge (6, 7, 8, 9) angeschlossen; b) der Dekoder (15) ist im Mikrocontroller (21) realisiert und anstatt über Dioden (16) wird die Masse-Schaltung der Eingänge (6, 7, 8, 9) über entsprechend geschaltete TRI-STATE-Ports (P1 bis P4) des Mikrocontrollers (21) vorgenommen.