DE4327867C1 - Einrichtung zur Schaltansteuerung eines elektronischen Gerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schaltansteue­ rung eines elektronischen Gerätes nach der Gattung des An­ spruchs 1.

Es sind Schaltkreise bekannt, die insbesondere von Sen­ sorschaltern anzusteuernden elektronischen Geräten vor­ geschaltet werden können, um letztere vor undefinierten Signalwerten zu schützen bzw. den Wertebereich der Schalt­ eingangsgröße auf einen zulässigen und/oder zerstörungs­ frei verarbeitbaren Bereich zu begrenzen.

Beispiele hierfür sind die Schaltkreise L 9703, L 9704 (Octal Ground/Supply Contact Monitoring Circuits) wie auf S. 317-327 im "AUTOMOTIVE PRODUCTS DATABOOK, 2nd Edition/ January 1993 von SGS-Thomson beschrieben. Bei diesen Schaltkreisen wird der Schaltkontakt mit einem Prüfstrom beaufschlagt, der mit einem schaltkreisintern erzeugten Referenzstrom in einer Stromvergleichseinrichtung vergli­ chen wird; das Vergleichsergebnissignal wird über eine komplementäre Schaltendstufe als Schaltsignal ausgegeben.

Nachteilig dabei ist, daß jene Schaltkreise entweder nur für an Masse liegende (Low-Side) Schaltkontakte oder nur für an der Versorgungsspannung liegende (High-Side) Schaltkontakte geeignet sind. Es müssen also z. B. jeweils acht Schaltkontakte derselben Art (Low-Side oder High- Side) vorhanden sein, um einen entsprechenden Schaltkreis voll ausnutzen zu können.

Dieser Nachteil wird nur teilweise durch andere bekann­ te Schaltkreise ausgeglichen, die je eine entsprechend hälftige Vielzahl von entsprechenden Schaltkreisen für Low-Side und High-Side-Schalter in einem Bauteil enthal­ ten. Ein Beispiel hierfür ist der Schaltkreis L 9705 (Double Quad Contact Interface Circuit) wie auf S. 329-333 des vorgenannten DATABOOK beschrieben. Auch dieser Schaltkreis ist nur dann optimal ausnutzbar, wenn vier High-Side- und vier Low-Side-Schalter abgefragt werden sollen. Bei fünf High-Side und drei Low-Side Schaltern würden also bereits zwei Exemplare dieses Schaltkreises benötigt, wobei dann 50% der eingesetzten Schaltkreis­ kapazität - also die Gesamtkapazität eines ganzen Schaltkreises - brach läge.

Des weiteren sind sog. Sample- & Hold-Schaltungen be­ kannt, deren Aufgabe es ist, analoge Spannungen nach Maßgabe durch einen Abtastimpuls zu erfassen und den dabei gewonnenen Augenblickswert zwischenzuspeichern, bis der nächste Abtastimpuls eine Wiederholung des Vorganges und damit ein Update des gespeicherten Wer­ tes bewirkt. Eine solche Schaltung ist beispielhaft erläutert im Fachbuch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von Tietze/Schenk, erschienen in Springer Verlag 1986, dort ab Seite 753.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Schaltansteuerung eines elektronischen Gerätes vorzu­ schlagen, die eine Abstimmung der Anzahl und Art von an Masse bzw. Versorgungsspannung anlegbaren Schaltern auf verfügbare, diesen zugeordnete Eingänge der Ein­ richtung überflüssig macht, d. h., daß es gleichgültig ist, welche Kategorie von Schaltern letztlich zur An­ wendung gelangt und der Ausnutzungsgrad einer entspre­ chenden Einrichtung nicht mehr von der Art der zur An­ wendung gelangenden Schalter, sondern nur noch von der Gesamtzahl aller Schalter und der Anzahl der Eingänge der Einrichtung abhängig ist.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Einrich­ tung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß vorteilhafte Weiterbildungen sind nach Lehre der abhängigen Ansprüche 2 bis 10 mög­ lich.

Die erfindungsgemäße Einrichtung weist den Vorteil auf, daß sie sowohl High-Side- als auch Low-Side-Schalter auswerten kann. Bei Realisierung in geeigneter Wafer­ technologie kann sie leicht durch Funktionskomponenten zum Überspannungs- und Inverspolungsschutz der Eingänge vervollständigt und als beliebig kompilierbare Standard­ zelle ausgeführt und zusammen mit bekannten Steuerfunk­ tionen platzsparend integriert werden. Dadurch ist sie besonders wirtschaftlich herstellbar. Durch den Wegfall des besonderen Platzbedarfs für spezielle Schaltkreise nach dem Stande der Technik werden Platzvorteile er­ schlossen, die der angestrebten Verkleinerung von elek­ tronischen Steuergeräten entgegenkommen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschrei­ bung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Einrichtung;

Fig. 2 eine Zustandstafel zur Erläuterung der Funktion.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die alternativ von einem am Versor­ gungsspannungspotential U_BAT liegenden oder an Massepo­ tential GND liegenden Schalter 8 bzw. 9 ansteuerbare Ein­ richtung 10 eine am Versorgungsspannungspotential U_BAT liegende eingeprägte Stromquelle 11 und eine an Masse­ potential GND liegende eingeprägte Stromsenke 12.

Es können bei vielfach paralleler Vorsehung der Einrich­ tung 10 die Stromquelle 11 und die Stromsenke 12 oder Be­ standteile davon auch nur einfach vorhanden sein und von allen vorhandenen Exemplaren der Einrichtung in gleicher Weise mitbenutzt werden, so daß auf jede einzelne Ein­ richtung z. B. nur stromtragende Kollektor-, Emitter-, Drain- oder Source-Ausgänge einer zentralen Stromquellen­ bzw. Stromsenkstruktur entfallen können. Die bezüglich des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels angenommene Stromquelle und Stromsenke stellt insoweit keinerlei Einschränkung dar.

Der Ausgang der Stromquelle 11 und der Stromsenke 12 sind an die zwei als Eingänge benutzten Schaltanschlüsse 13A.1 und 13A.2 eines Umschalters 13A geführt, dessen gemeinsamer Anschluß 13A.3 als Ausgang fungiert und wirkungsmäßig mit dem Eingang 18 der Einrichtung ver­ bunden ist.

Der Eingang 18 ist andererseits auch an den Eingang eines Komparators 14 mit intern vorzugsweise fester An­ sprechschwelle geführt. Der Ausgang des Komparators 14 ist an den als gemeinsamer Anschluß 13B.3 fungierenden Eingang eines zweiten Umschalters 13B geführt, dessen beide als Ausgänge benutzten Schaltanschlüsse 13B.1 und 13B.2 jeweils an Dateneingänge einer ersten und zweiten Speicherzelle 15 bzw. 16 geführt sind. Die Ausgänge der beiden Speicherzellen sind an eine Auswertelogik 17 ge­ führt, letztwelche ihrerseits mit dem Ausgang 19 der Einrichtung in Wirkverbindung steht.

Des weiteren umfaßt die Einrichtung 10 noch einen Takt­ generator 21, welcher eine Ablaufsteuerung 20 speist, letztwelche über eine Wirkverbindung 22 die beiden Um­ schalter 13A und 13B synchron ansteuert. Weiter kann vorgesehen sein, daß die Ablaufsteuerung 20 auch die Auswertelogik 17 kontrolliert und - sofern es sich bei den Speicherzellen 15 und 16 um solche mit separaten Setzeingängen handelt - auch noch mit Setzeingängen der Speicherzellen 15 und 16 wirkverbunden ist.

Da - wie weiter unten verdeutlicht - keine hohen Anfor­ derungen an die Konstanz der Umschaltfrequenz besteht, kann auch der Taktgenerator 21 z. B. sehr kostengünstig mitintegriert werden und zusammen mit der ebenfalls mit­ integrierbaren Ablaufsteuerung 20 für/von eine/r Viel­ zahl solcher Einrichtungen zentral vorgesehen/genutzt werden.

In der Eingangsleitung kann fortbildungsgemäß noch eine stromdurchlässige Schaltung 24 zum Schutz der Einrich­ tung gegen Überspannung und/oder Verpolung des Eingangs­ anschlusses 18 angeordnet sein. Des weiteren kann am Ein­ gang noch eine definierte Kapazität 25 vorgesehen sein. Sie kann gleichwohl auch in der Schaltung 24 integriert oder darin beispielsweise "teilelektronisch" gebildet sein, etwa durch "Verstärkung" einer kleineren integrier­ baren Kapazität auf einen praktisch brauchbaren Wert mittels Verstärkungselementen, die ggfs. gleichzeitig noch Schutzfunktionen für den Eingang des Komparators 14 erfüllen können. Das Umschalterpaar 13 kann beispiels­ weise in der Art von Multiplexzellen eines Vielfach- Analogschalters ausgeführt sein, die beispielsweise in CMOS-Technik besonders wenig Chipfläche beanspruchen.

Die Funktion der Einrichtung wird anhand Fig. 2 deutlich.

Die Ablaufsteuerung 20 betätigt in schneller Abfolge die Umschalter 13A und 13B und steuert dazu synchron die Speicher 15 und 16 zum Einspeichern des jeweiligen Aus­ gangssignals des Komparators 14 und die Auswertelogik 17 zur Dekodierung der Speicherinhalte an. Dabei ist die Frequenz der Umschaltung unkritisch; sie muß nur in Relation zur minimalen Schließzeit der Schalter 8 und 9 groß genug sein, so daß ein nur kurzzeitiges Schließen eines der Schalter 8 und 9 nicht unerkannt bleibt.

Ist nun beispielsweise der Schalter 8 geschlossen, fließt wegen mangelnder Potentialdifferenz kein oder nur ein verschwindender Quellenstrom I_L von U_BAT über die Schaltstrecke 13A.1-13A.3, infolge einer ausreichen­ den Potentialdifferenz jedoch der Senkenstrom I_H von U_BAT über den Schalter 8 und die Schaltstrecke 13A.3- 13A.2 und die Stromsenke 12 nach Masse GND. Dies bedeu­ tet, daß der Punkt 13A.3 sowohl in der oberen als auch in der unteren Stellung des Umschalters 13A ein hohes Potential nahe U_BAT besitzt und der Komparator bezüglich seines internen Referenzpotentials somit in beiden Schal­ terstellungen den logischen Zustand "H" ausgibt und über die Schaltstrecken 13B.3-13B.1 und 13B.3-13-B.2 in die Speicherzellen 15 und 16 lädt. Die Auswertelogik 17 ist so beschaffen, daß sie zwei entsprechend auslesbare "H"- Zustände beispielsweise in den logischen Ausgangszustand "H" wandelt und an die Klemme 19 ausgibt, wobei der Zu­ stand "H" dann "Schalter 8 geschlossen" bedeutet.

Ist beispielsweise der Schalter 9 geschlossen, fließt wegen mangelnder Potentialdifferenz kein oder nur ein verschwindender Senkenstrom I_H über die Schaltstrecke 13A.3-13A.2, infolge einer ausreichenden Potentialdif­ ferenz jedoch der Quellenstrom I_L über die Stromquelle 11 und die Schaltstrecke 13A.1-13A.3 und den Schalter 9 nach Masse GND. Dies bedeutet, daß der Punkt 13A.3 sowohl in der oberen als auch in der unteren Stellung des Umschalters 13A ein niedriges Potential nahe GND besitzt und der Komparator bezüglich seines internen Referenzpotentials somit in beiden Schalterstellungen den logischen Zustand "L" ausgibt und über die Schalt­ strecken 13B.3-13B.1 und 13B.3-13B.2 in die Speicher­ zellen 15 und 16 lädt. Die Auswertelogik 17 ist so beschaffen, daß sie zwei entsprechend auslesbare "L"- Zustände beispielsweise in den logischen Ausgangs zu­ stand "L" wandelt und an die Klemme 19 ausgibt, wobei der Zustand "L" dann "Schalter 9 geschlossen" bedeutet.

Es ist ersichtlich, daß dann, wenn keiner der beiden Schalter 8 und 9 geschlossen ist und am Eingang 18 in­ soweit kein Strom zu- oder abfließt, ein ausgezeichne­ ter dritter Zustand "Z" existiert. Es liegt dann näm­ lich das Potential des Punktes 13A.3 in der oberen bzw. unteren Stellung des Umschalters 13A immer nahe bei U_BAT bzw. GND, weil nämlich die Stromtragfähigkeit der Stromquelle 11 bzw. Stromsenke 12 erheblich größer ist als die Summe aller vom Eingang 18 am Komparator 14 vorbei ableitbaren Leckströme.

Der Komparator 14 führt folglich während der synchronen oberen Stellungen der Umschalter 13A und 13B das logi­ sche Ausgangspotential "H" und während der synchronen unteren Stellungen der Umschalter 13A und 13B das logi­ sche Ausgangspotential "L". Damit wird dem Speicher 15 über die Schaltstrecken 13B.3-13B.1 immer der Logikzu­ stand "H" und dem Speicher 16 über die Schaltstrecke 13B.3-13B.2 immer der logische Zustand "L" eingeschrie­ ben. Die Auswertelogik 17 ist so beschaffen, daß sie einen vom Speicher 15 auslesbaren Logikzustand "H" und einen gleichzeitig vom Speicher 16 auslesbaren Logik­ zustand "L" zu einer Hochohmigschaltung "Z" ihres Aus­ ganges auswertet (sog. Tri-State-Ausgang).

Es ist weiter ersichtlich, daß es bei ordnungsgemäßer Funktion nicht möglich ist, daß in den Speicher 15 der Zustand "L" und in den Speicher 16 der Zustand "H" ein­ geschrieben wird. Die Auswertelogik 17 kann daher wei­ ter so beschaffen sein, daß sie einen vom Speicher 15 auslesbaren Logikzustand "L" und einen gleichzeitig vom Speicher 16 auslesbaren Logikzustand "H" entweder ignoriert oder aber in ein auf eine Fehlfunktion hin­ deutendes Alarmsignal auswertet, beispielsweise zu einem Burst von "L-H"- und "H-L"-Übergängen oder einem kontinuierlichen Frequenzsignal am Ausgang 19, welches von einer nachfolgenden Elektronik zu einem Alarmsignal aufbereitet werden kann.

Mit der Einrichtung wird es insoweit möglich, über einen entsprechenden Bus (nicht dargestellt), an welchen ihr Ausgang 19 angeschlossen ist, während der Öffnungszeiten der Schalter 8 und 9 andere Schaltsignale zu übertragen, wodurch beispielsweise auch mittels entsprechender Kon­ trollschalter (nicht dargestellt) zu den Schaltern 8 und 9 und vielfach paralleler Vorsehung der Einrichtung 10 sehr einfache Plausibilitätsprüfungen im Rahmen eines Busmanagements realisierbar sind.

Der Vollständigkeit halber umfaßt die Einrichtung auch noch eine Beschaltung des Einganges 18 mit einer defi­ nierten Entprellungskapazität 25. Dabei kann eine sol­ che Kapazität sowohl nach Masse GND als gegen den an­ deren Betriebsspannungspol U_BAT geschaltet oder aus zwei entsprechend geschaltete Einzelkapazitäten gebil­ det sein. Bei geeigneter Bemessung einer solchen Ka­ pazität in Relation zum natürlichen, in der Praxis nicht beliebig verringerbaren Innenwiderstand des Lade- bzw. Entladestrompfades, in welchem der Schal­ ter 8 bzw. 9 liegt, sowie auf die Umschaltfrequenz kann die Einrichtung besonders stromsparend ausge­ führt werden.

Dies ist dadurch bedingt, daß eine solche Kapazität als vom vorgelagerten Schalterstromkreis vorgeladene oder vorentladene Haltekapazität wirkt, und sich das Poten­ tial am Eingang des Komparators 14 dadurch langsamer ändert als am Eingang 18. Dabei kann durch Vorsehung und geeignete Bemessung eines gewissen Zeitoffsets in der Ab­ laufsteuerung 20 zwischen der Ansteuerung 22 der Umschal­ ter 13A und 13B und der Ladung bzw. Überschreibung der Speicherzellen 15 und 16 sichergestellt werden, daß der Komparatorausgang jeweils erst dann in die Speicherzellen eingelesen wird, wenn mögliches parasitäres Überschwingen an der Kapazität 25 abgeklungen ist.

Des weiteren kann durch entsprechende Auslegung der Auswertelogik 17 und/oder ihrer Ansteuerung 23 seitens der Ablaufsteuerung 20 erreicht werden, daß deren Aus­ gangszustand sich erst nach mehrfach wiederholter Ein­ lesung desselben Ausgangsstatus der Speicherzellen 15 und 16 ändert. Auf diese Weise kann sowohl eine Entprel­ lung der Schaltstrecken der Schalter 8 und 9 als auch Überschwingen, das auch bei üblicher Verdrahtung ohne die definierte Kapazität 25 dann mehr oder weniger un­ kontrolliert auftreten kann, weitestgehend ausgefiltert und somit unschädlich gemacht werden.

Die Einrichtung umfaßt ersichtlichermaßen nur Funktions­ elemente, die wenig Integrationsfläche auf einem Halb­ leiterchip beanspruchen. Es ist insoweit möglich, die Einrichtung als Standardzelle zu definieren und aus zu­ bilden, welche im Rahmen von Chipdesigns von Schalt­ kreise für von Schaltern anzusteuernden elektronischen Geräten frei kompilierbar und insoweit beliebig verfüg­ bar und einsetzbar ist.

Dies gilt insbesondere für multi-parallele Ausbildungs­ formen, die in Halbleiterchipfläche sparender Weise we­ sentliche Elemente der Stromquelle 11 bzw. Stromsenke 12 zur Bereitstellung der beiden Ströme I_L und I_H und/oder den Taktgenerator und die Ablaufsteuerung 20 nur einmal zentral benötigen und verwenden.

Claims (11)

1. Einrichtung zur Schaltansteuerung eines elektroni­ schen Gerätes,

• - mit wenigstens einem Schalteingang (18), um einen Abfragestrom (I_H, I_L) wenigstens über einen an den wenigstens einen Schalteingang (18) anschließbaren Schalter (8, 9) fließen zu lassen und
• - mit einem Verglei­ cher (14), um eine durch besagten Abfragestrom (I_H, I_L) längs der Schaltstrecke auftretende Signalgröße mit einem Referenzwert zu vergleichen, und
• - mit wenigstens einem Schaltausgang (19), von dem aus in Abhängigkeit vom Ver­ gleichsergebnis das elektronische Gerät ansteuerbar ist, und
• - wobei der wenigstens eine Schalteingang (18) über die Schaltstrecke des wenigstens eine Schalters (8, 9) wenig­ stens mittelbar mit einem Potential nahe oder gleich dem Potential einer der beiden Versorgungsspannungspole (U_BAT, GND) der Einrichtung verbindbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Vergleicher (14) eingangsseitig mit dem Ein­ gang (18) der Einrichtung wirkverbunden ist und daß die Energiequellen (11, 12) zum Fließenlassen des Abfrage­ stroms (I_H, I_L) wenigstens Ausgänge sowohl einer Strom­ quelle (11) als auch einer Stromsenke (12) umfassen, und daß die Einrichtung weiter umfaßt:
• - eine von einem Signal eines Taktgenerators (21) beaufschlagte Ablaufsteuerung (20);
• - wenigstens ein Paar von Umschaltern (13A, 13B);
• - wenigstens erste und zweite Speicher (15, 16) und wenigstens eine Auswertelogik (17), welche eingangsseitig mit den Ausgängen der Speicher (15, 16) verbunden ist und mit ihrem Ausgang den Schaltausgang (19) der Einrichtung bildet, und
• - wobei die Ablaufsteuerung (20) das wenigstens eine Paar von Umschaltern (13A, 13B) derart ansteuert, daß der Eingang (18) der Einrichtung über den ersten Umschalter (13A) abwechselnd mit dem Ausgang der Stromquelle (11) bzw. der Stromsenke (12) und der Ausgang des Vergleichers (14) über den zweiten Umschalter (13B) synchron dazu ab­ wechselnd mit dem Eingang des ersten und zweiten Spei­ chers (15 bzw. 16) verbunden ist.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß auch wenigstens die Speicher (15, 16) oder die Auswertelogik (17) von der Ablaufsteuerung (20) steuerbar (23) sind.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß als wirkverbindendes Mittel zwischen dem Eingang (18) der Einrichtung (10) und dem Eingang des Vergleichers (14) und dem ersten Umschalter (13A.3, 13A) eine strom­ durchlässige Schaltung (24) zum Schutze der Einrichtung gegen Überspannung und/oder Falschpolung ihres Eingangs (18) vorgesehen ist.

4. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen dem Schalteingang (18) und wenigstens einem der beiden Betriebsspannungspole (U_BAT, GND) eine definierte Kapazität (25) zur Schaltkontaktentprellung und/oder Filterung vorgesehen ist.

5. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einrichtung (10) als frei kompilierbare Halb­ leiter-Standardzelle ausgebildet ist.

6. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einrichtung (10) eine Mehrzahl von Schalt­ eingängen (18) und Schaltausgängen (19) und dieselbe Mehr­ zahl von Umschalterpaaren (13), paarigen Speichern (15, 16) und Auswertelogiken (17) umfaßt.

7. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Einrichtung (10) in mehreren Exemplaren auf einem Halbleiterchip integriert ist.

8. Einrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mehrzahl von paarigen Umschaltern (13A, 13B; 13) oder die Mehrzahl von Exemplaren der Einrichtung (10) zur Ansteuerung einen einzigen Taktgenerator (21) gemein­ sam benutzt.

9. Einrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Mehrzahl von Exemplaren der Einrichtung (10) Schaltkreise, die Stromquellen (11) und Stromsenken (12) bilden, gemeinsam benutzt.

10. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Auswertelogik (17) ihren Ausgangszustand erst dann ändert, wenn in bezug auf den von der Ablauf­ steuerung (20) vorgegebenen Umschaltzyklus ein neues, aus den beiden Ausgangssignalen der Speicher (15, 16) gebil­ detes Eingangssignal der Auswertelogik (17) an letzterer länger als die Dauer eines Umschaltzyklus anlag.