ES3033769T3 - Frequency monitoring circuit and method for monitoring the frequency of an ac-signal - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un circuito de monitorización de frecuencia para monitorizar una señal de entrada de CA arbitraria, que comprende: una entrada de señal de CA (1); un circuito reiniciable (2) que comprende un condensador (3), una fuente de alimentación de referencia (4, 4') y un interruptor de descarga (5) para controlar la carga y descarga del condensador (3); un control de interruptor (6) adaptado para detectar un flanco predeterminado de la señal de entrada de CA y para controlar la apertura y el cierre del interruptor de descarga (5) en función de dicho flanco predeterminado detectado; un comparador (10) para comparar la tensión del condensador con al menos un umbral que limita un rango de frecuencia permitido predeterminado y para proporcionar una señal de salida del comparador en su salida (14a, 14b) que indica si la tensión del condensador cumple con el umbral. y un elemento de memoria (11) para recibir la señal de salida del comparador (14a, 14b), una salida de señal (15) para emitir una señal de salida de frecuencia constante-ok siempre que la señal de entrada permanezca dentro del rango de frecuencia permitido, en donde la señal de salida es actualizada por la señal de salida del comparador, y una entrada de disparo (12) conectada para disparar el elemento de memoria (11). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Circuito de monitorización de frecuencia y método de monitorización de la frecuencia de una señal de CA

Campo de la invención

La invención se refiere a un circuito de monitorización de frecuencia para monitorizar una señal de entrada de CA, comprendiendo el circuito una entrada de señal de CA para proporcionar la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada, un circuito reiniciable que comprende un condensador conectado a tierra, una fuente de alimentación de referencia para cargar el condensador, y un conmutador de descarga conectado en paralelo con el condensador para controlar la carga y la descarga del condensador, un control de conmutador para controlar el conmutador de descarga, estando un comparador conectado eléctricamente después del circuito reiniciable. La invención se refiere además a un método de monitorización de la frecuencia de una señal de CA.

Antecedentes de la invención

Un circuito de monitorización de frecuencia correspondiente es conocido a partir del documento de patente de Japón n2 JP 2012-109836 A [01].

En muchas áreas técnicas es importante detectar si una señal de CA está dentro de un intervalo especificado, por ejemplo, en lógica digital (microcontrolador, FPGA, ...), supervisión de señal de vida o supervisión de velocidad (motor). Por lo tanto, se requiere una supervisión de frecuencia correspondiente al objeto de detectar que una señal de entrada está dentro de un intervalo específico o para señalizar cuando la señal de entrada ya no cumple los requisitos.

Los filtros de paso de banda analógicos, los CIs de decodificación de frecuencias (como el LM567 [03]), y los enfoques completamente digitales (microcontrolador, FPGA) son conocimientos generales para la monitorización de frecuencias.

El documento de patente de Alemania n° DE 4023700 C2 [02] describe un circuito de monitorización de frecuencia para una secuencia de señal de un microordenador (watchdog). Cuando se detecta una cierta desviación de la frecuencia prescrita, el microordenador se reinicia. Esto se consigue aplicando unas señales de reinicio cíclicas en la entrada de reinicio del microordenador, cuando se detecta un error de frecuencia excesivo.

El documento de patente de Japón n° JP 2012-109836 A [01] describe un circuito de monitorización de frecuencia para monitorizar las anomalías de frecuencia de señales de reloj. El circuito comprende una unidad de carga/descarga con dos conmutadores y dos fuentes de corriente constante para cargar un condensador. Cuando la tensión de carga cae a una tensión límite inferior, el condensador conmuta del estado descargado al estado cargado. Por otro lado, cuando llega el borde de pulso de la señal de reloj, o cuando la tensión de carga aumenta hasta la tensión límite superior, el condensador conmuta del estado cargado al estado descargado. Cuando la tensión de carga aumenta hasta la tensión límite superior, una señal de reinicio RESET es reducida desde el nivel alto (nivel lógico normal) hasta el nivel bajo (nivel lógico anormal), y viceversa. Es decir, cuando la frecuencia de la señal de reloj es demasiado baja, el condensador se mantiene en el estado cargado y la tensión de carga es cargada. La tensión de carga aumenta hasta la tensión límite superior, y la señal de reinicio se reduce desde el nivel alto hasta el nivel bajo. La señal de reinicio se mantiene a un nivel bajo hasta que la tensión de carga cae a la tensión límite inferior después de que el condensador es conmutado al estado descargado.

Los métodos conocidos a partir de [01] y [02] dan como resultado pulsos de reinicio cíclicos. Sin embargo, los circuitos de monitorización de frecuencia descritos anteriormente sólo pueden usarse para señales de entrada de onda cuadrada. Los métodos conocidos no pueden usarse, por ejemplo, para supervisión de velocidad en sistemas críticos de seguridad, en particular para aplicaciones que requieren una señal de salida estática, por ejemplo, para conmutar la potencia a una parte independiente del dispositivo o proporcionar al usuario una indicación visual del estado de frecuencia ok/no ok. No se pueden usar para habilitar o deshabilitar otra parte de una máquina.

Otro circuito de monitorización de frecuencia es conocido a partir del documento de patente de EE.UU. n° US 4667328 A.

Objeto de la invención

Es un objeto de la invención proporcionar un circuito de monitorización de frecuencia que permita una supervisión rápida y precisa de señales de CA arbitrarias y que pueda usarse para habilitar o deshabilitar otra parte de una máquina.

Compendio de la invención

Este objeto se consigue mediante un circuito de monitorización de frecuencia según la reivindicación 1 y un método de monitorización de la frecuencia de una señal de entrada de CA según la reivindicación 8.

El circuito de monitorización de frecuencia de la invención está adaptado para monitorizar señales de entrada de CA arbitrarias, en particular señales sinusoidales, así como señales de onda cuadrada.

El circuito de la invención comprende:

una entrada de señal de CA para proporcionar la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada,

un circuito reiniciable que comprende

<o>un condensador conectado a tierra,

<o>una fuente de alimentación de referencia para cargar el condensador,

<o>un conmutador de descarga conectado en paralelo con el condensador para controlar la carga y la descarga del condensador,

y un control de conmutador para controlar el conmutador de descarga, estando el control de conmutador conectado eléctricamente entre la entrada de señal de CA y el conmutador de descarga, en el que el control de conmutador está adaptado para detectar un borde predeterminado de la señal de entrada de CA (ascendente o descendente). El control de conmutador está adaptado para controlar la apertura y el cierre del conmutador de descarga dependiendo de un borde predeterminado de la señal de entrada de CA. Un comparador con al menos una salida de comparador está conectado eléctricamente después del circuito reiniciable, en el que el comparador está adaptado para comparar la tensión del condensador con al menos un umbral que limita un intervalo de frecuencia permitido predeterminado, y está adaptado para proporcionar una señal de salida de comparador en su salida de comparador que indica si la tensión del condensador cumple el umbral,

un elemento de memoria que comprende

<o>al menos una entrada de señal conectada a la salida de comparador para recibir la señal de salida de comparador,

<o>una salida de señal para emitir una señal de salida de frecuencia ok constante siempre que las señales de entrada permanezcan dentro del intervalo de frecuencia permitido, en el que la señal de salida se actualiza mediante la señal de salida de comparador, en particular en puntos de tiempo predefinidos,

<o>una entrada de activación conectada para activar el elemento de memoria, en el que la entrada de activación está conectada a la fuente de CA.

El control de conmutador está conectado entre la fuente de CA y el conmutador de descarga, y está adaptado para cerrar momentáneamente (para la descarga) y a continuación abrir (para la carga) el conmutador de descarga si se detecta un borde predeterminado de la señal de entrada de CA. Es decir, el reinicio del condensador se realiza mediante el conmutador de descarga, que está adaptado para provocar tanto la carga del condensador (aumentando la tensión del condensador) como la descarga del condensador (reduciendo la tensión del condensador). Sólo se proporciona un conmutador para la carga y la descarga.

Para detectar el borde predeterminado, el control de conmutador incorpora un dispositivo de detección de cruce por cero y/o un detector de borde. El conmutador de descarga se abre y se cierra sólo en función de un borde predeterminado de la señal de entrada de CA. Es decir, el estado de conmutación del conmutador de descarga depende únicamente de la señal de entrada y es independiente de la tensión del condensador.

El circuito de monitorización de frecuencia de la invención emite una señal de salida constante siempre que la frecuencia de entrada de la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada permanezca dentro del intervalo permitido (es decir, por encima de un umbral inferior y/o por debajo de un umbral superior). Esto permite, por ejemplo, atraer, por ejemplo, un relé o no, encender/apagar un indicador, llevar circuitos digitales a un estado de reinicio, o eliminar la energía de partes específicas del circuito. No se desea una atracción y repulsión alternas, como se realiza en la técnica anterior. Esto se realiza utilizando un elemento de memoria apropiado, en particular un flip-flop. El elemento de memoria tiene una entrada de activación para activar la comprobación de la tensión del condensador en unos puntos de tiempo predefinidos (instantes de activación). El elemento de memoria está adaptado para almacenar la información recibida y tiene una salida para emitir la señal de frecuencia ok constante hasta que la comprobación de la tensión del condensador muestra que la frecuencia de la señal de entrada de CA está fuera del intervalo permitido. La entrada de activación está conectada aguas arriba del circuito reiniciable para detectar los puntos de tiempo predefinidos, en particular el final de un período de la señal de entrada.

Para activar el elemento de memoria para comprobar la tensión del condensador, se puede utilizar la información de borde para controlar/activar el conmutador. En este caso, la conexión entre el elemento de memoria y la entrada de señal de CA puede proporcionarse entre el control de conmutador y el conmutador de descarga (es decir, después del cruce por cero/detección de borde). Esto es especialmente ventajoso si no se utiliza ninguna señal de onda cuadrada. En este último caso, el elemento de memoria se activa con la entrada del conmutador de descarga.

Alternativamente, el elemento de memoria está adaptado para detectar por sí mismo un borde predeterminado de la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada (por ejemplo, un flip-flop de tipo D). En este caso, la entrada de activación del elemento de memoria puede conectarse directamente a la fuente de CA (es decir, aguas arriba del dispositivo de detección de cruce por cero). Esto es particularmente ventajoso si se utiliza una señal de onda cuadrada.

Los instantes de activación son puntos en el tiempo con respecto al período de la señal de entrada y están separados en el tiempo un período de la señal de entrada de CA. Los instantes de activación están, por lo tanto, "al final de un período" de la señal de entrada de CA. Preferiblemente, se definen por el borde predeterminado usado para conmutar el conmutador de descarga.

Se ha de asegurar que el elemento de memoria tiene suficiente tiempo después de ser activado para almacenar adecuadamente el valor, antes de que se reinicie el condensador.

El circuito de la invención permite comprobar si la tensión del condensador supera un umbral superior sin reiniciar el circuito reiniciable en función de la tensión del condensador.

Realizaciones preferidas de la invención

En una realización muy preferida, el elemento de memoria es un circuito de cierre o un flip-flop, en particular un flip-flop de tipo D. En particular, si la salida del dispositivo de detección de cruce por cero se utiliza para controlar este circuito, así como el conmutador, se puede utilizar un "circuito de cierre" en lugar de un flip-flop.

En una realización preferida, el elemento de memoria comprende una primera entrada de señal para recibir la señal de salida de comparador si la tensión del condensador supera un primer umbral, y una segunda entrada de señal (entrada de reinicio) para recibir la señal de salida de comparador si la tensión del condensador supera un segundo umbral. La provisión de dos entradas independientes para el incumplimiento de dos umbrales significa que no es necesario distinguir en las entradas qué umbral no se ha cumplido.

Cuando se usa un comparador con solo un umbral, el circuito de monitorización de frecuencia de la invención se puede usar, por ejemplo, para la monitorización de velocidad (por ejemplo, comprobando si se supera una velocidad máxima por medio de la monitorización de la salida de tacómetro). Sin embargo, si se debe monitorizar el funcionamiento correcto de un componente digital, tal como un microcontrolador, por ejemplo si genera una señal alterna de frecuencia fija durante el funcionamiento correcto, es ventajoso que el comparador sea un comparador de ventana que tenga un umbral superior y un umbral inferior.

La fuente de tensión de referencia está adaptada para cargar el condensador con una velocidad de carga que está adaptada a la mayor longitud de periodo que se espera. Esto puede realizarse usando una fuente de tensión constante como fuente de tensión de referencia en combinación con una resistencia. Cuando se utiliza una fuente de tensión constante, se obtiene una curva de carga exponencial, la resistencia hace que la tensión del condensador se eleve más lentamente.

Alternativamente, la fuente de tensión de referencia puede ser una fuente de corriente constante. Cuando se usa una fuente de corriente constante, se obtiene una curva de carga lineal. No se requiere resistencia adicional.

Para comprobar el funcionamiento correcto del circuito de monitorización de frecuencia de la invención, el circuito de monitorización de frecuencia de la invención comprende un conmutador de selección de entrada, que está adaptado para conmutar entre la señal de entrada y una señal de prueba. Esto permite que se suministre una señal de prueba al control de conmutador para probar el circuito. La señal de prueba puede ser proporcionada por una entrada de señal de prueba. El conmutador de selección de entrada está adaptado entonces para la conexión alternativa del control de conmutador con la entrada de señal de CA y con una entrada de señal de prueba. Mediante la adición del conmutador de selección de entrada, el funcionamiento correcto del circuito puede probarse sobre la marcha, haciendo esto aplicable en contextos críticos de seguridad, en los que el circuito de monitorización de frecuencia de la invención se ha de usar preferiblemente, en particular para garantizar que un microprocesador (y el software que se ejecuta en el mismo) todavía están funcionando correctamente y para poner elementos de campo ferroviario (señales, tracción) en un estado seguro (apagado, detenido,...).

La invención también se refiere a un método de monitorización de la frecuencia de una señal de entrada de CA, comprendiendo el método: proporcionar la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada; cargar constantemente un condensador de un circuito reiniciable usando una fuente de tensión de referencia, dando como resultado una tensión en el condensador; detectar la tensión del condensador y comparar la tensión del condensador con al menos un umbral predefinido usando un comparador; detectar un borde predeterminado de la señal de entrada de CA, definiendo el borde predeterminado un final del periodo de la señal de entrada de CA; y reiniciar el circuito reiniciable por medio de la descarga del condensador al final del periodo de la señal de entrada de CA usando un conmutador de descarga. Según la invención, el conmutador de descarga se activa exclusivamente en función del borde predeterminado detectado. Si la tensión del condensador al final del periodo de la señal de entrada de CA cumple el umbral, se emite una señal de salida de frecuencia ok constante desde un elemento de memoria. Si la tensión del condensador al final del período de la señal de entrada de CA no cumple el umbral, no se emite ninguna señal de salida de frecuencia ok desde el elemento de memoria.

La señal de salida de frecuencia ok constante se emite continuamente hasta que la tensión del condensador ya no cumple el umbral al final de un período de la señal de entrada de CA.

El borde predeterminado se detecta mediante un dispositivo de detección de cruce por cero y/o un elemento de detección de borde, que están incorporados preferiblemente en el control de conmutador. El borde predeterminado puede ser, por ejemplo, el comienzo de un borde ascendente o descendente, un cruce por cero de la amplitud de señal (cambio de polaridad). Está asociado a un punto específico dentro de la curva de señal y define “el final del periodo de la señal de entrada de CA”. El conmutador de descarga es activado exclusivamente por el dispositivo que es responsable de detectar el borde predeterminado (dispositivo de detección de cruce por cero y/o elemento de detección de borde).

En el caso de un umbral inferior, la tensión del condensador cumple el umbral si la tensión del condensador está por encima del umbral inferior. En el caso de un umbral superior, la tensión del condensador cumple el umbral si la tensión del condensador está por debajo del umbral superior. En el caso de un umbral inferior y uno superior, la tensión del condensador cumple los umbrales si la tensión del condensador está entre el umbral inferior y el superior.

Según la invención, el estado de conmutación del conmutador de descarga depende exclusivamente de la señal de entrada de CA, no de la tensión del condensador.

El condensador se carga preferiblemente según la misma curva de carga después de cada reinicio del circuito reiniciable. Es decir, la función según la cual aumenta la tensión del condensador es la misma para cada ciclo de carga. Si se utiliza una fuente de corriente constante, la velocidad de carga puede ser constante. Es decir, la velocidad de carga no es conmutable. Esto permite una construcción sencilla del circuito que requiere menos componentes.

El elemento de memoria comprueba preferiblemente la salida de comparador al final del periodo.

Se prefiere además que el proceso de carga se interrumpa solamente al final del período de la señal de entrada de CA. Es decir, el reinicio del circuito reiniciable depende solamente de la señal de entrada de CA. El condensador se carga independientemente de si la tensión del condensador cumple el umbral(es) o no.

Preferiblemente, la carga y la descarga se realizan a través del mismo conmutador de descarga. El conmutador de descarga se abre si se detecta el borde predeterminado para cargar el condensador y el conmutador de descarga se cierra bruscamente cuando se detecta el final del periodo de la señal de entrada de CA.

Al final del periodo, el elemento de memoria es retenido, es decir, el valor se aplica/propaga. En una realización especial, el elemento de memoria también es retenido después de un tiempo de espera (periodo de frecuencia más lenta aceptable) usando la entrada de reinicio del elemento de memoria. Este "tiempo de espera" reiniciará la señal de salida (salida de señal cero) del elemento de memoria, pero no reiniciará la tensión a través del condensador. El elemento de memoria sólo se actualiza (desde la salida de comparador) al final del periodo o después de un tiempo de espera.

En una variante preferida del método de la invención, la tensión del condensador se compara con un umbral inferior y con un umbral superior usando un comparador de ventana.

En una variante muy preferida, se utiliza un circuito de monitorización de frecuencia como el descrito anteriormente para llevar a cabo el método de la invención.

El circuito de monitorización de frecuencia de la invención puede usarse ventajosamente para monitorizar señales de entrada para monitorización de velocidad (sólo se requiere un umbral) o para monitorización de señal de vida (se requieren dos umbrales).

Por consiguiente, el circuito de monitorización de frecuencia de la invención se implementa preferiblemente en sistemas con microcontroladores en los que partes del sistema tienen que ser apagadas si ya no funcionan correctamente.

Ventajas adicionales de la invención se pueden deducir a partir de la descripción y de los dibujos. Las realizaciones mostradas y descritas no se han de entender como una lista exhaustiva, sino que tienen un carácter a modo de ejemplo para la descripción de la invención.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra una realización básica de un circuito de monitorización de frecuencia de la invención con un circuito reiniciable que comprende una fuente de tensión constante. Además, se muestran formas de onda intermedias de la señal de CA dentro del circuito.

La figura 2 muestra otra realización básica de un circuito de monitorización de frecuencia de la invención con un circuito reiniciable que comprende una fuente de corriente constante.

La figura 3 muestra una realización del circuito de monitorización de frecuencia de la invención con una detección de fallo que usa una fuente de señal de prueba externa.

La figura 4 muestra una tercera realización del circuito de monitorización de frecuencia de la invención con una detección de fallo que usa la entrada de señal de CA.

La figura 5 muestra las etapas básicas del método de la invención.

La figura 6 muestra una curva de carga del condensador del circuito reiniciable cuando se usa una fuente de tensión constante más una resistencia, como se muestra en la figura 1.

Descripción detallada de los dibujos

La figura 1 muestra un diagrama de bloques del circuito de supervisión de frecuencia de la invención. El circuito de supervisión de frecuencia comprende una entrada de señal de CA 1 para suministrar una señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada (por ejemplo, una señal sinusoidal con una forma de onda IW0) al circuito de supervisión de frecuencia. La señal de entrada de CA se suministra a un circuito reiniciable 2. El circuito reiniciable 2 comprende un condensador 3, que está conectado a tierra, una fuente de alimentación de referencia 4 para cargar el condensador 3, y un conmutador de descarga 5 para interrumpir temporalmente la carga del circuito reiniciable 2, por medio del cierre el conmutador de descarga 5. Cuando el conmutador de descarga 5 está cerrado, el condensador 3 se descarga y el circuito reiniciable 2 se reinicia. Por tanto, el conmutador de descarga 5 controla el proceso de reinicio del circuito reiniciable 2. El conmutador de descarga 5 está conectado en paralelo con el condensador 3 y se activa/controla mediante un control de conmutador 6. Una línea de entrada 7 va desde la entrada de señal de CA 1 hasta el conmutador de descarga 3 a través del control de conmutador 6. Es decir, el control de conmutador 6 está conectado eléctricamente entre la entrada de señal de CA 1 y el conmutador de descarga 5, en el que el control de conmutador 6 comprende un dispositivo de detección de cruce por cero, y está adaptado para controlar la apertura y el cierre del conmutador de descarga 5 dependiendo de un borde predeterminado de la señal de entrada de CA. El circuito reiniciable está adaptado para cargar constantemente el condensador 3 desde la fuente de tensión de referencia 4. Al ver un borde ascendente en la señal de entrada (entrada de conmutador), la tensión en el condensador 3 se reinicia a cero. Tan pronto como el control de conmutador 6 detecta un borde ascendente de la señal de entrada de CA, la tensión en el condensador 3 se reinicia a cero cerrando temporalmente el conmutador de descarga 5. Como consecuencia, la tensión máxima a través del condensador 3 es una función de la longitud del periodo de la señal de entrada de CA y, por lo tanto, una función de la frecuencia de la señal de entrada de CA.

El circuito reiniciable 2 puede comprender una resistencia 8 conectada en serie con el condensador 3 entre el condensador 3 y la fuente de alimentación de referencia 4, como se muestra en la figura 1. En este caso, se utiliza una fuente de tensión constante como fuente de alimentación de referencia 4.

Alternativamente, la resistencia 8 puede ser omitida utilizando una fuente de corriente constante como fuente de alimentación de referencia 4', como se muestra en la figura 2.

Un comparador 10 está conectado eléctricamente aguas abajo del circuito reiniciable 2 para comparar la tensión del condensador con al menos un umbral (umbral superior y/o inferior) que limita un intervalo de frecuencia permitido predeterminado. El comparador 10 tiene la función de una unidad de evaluación. La tensión a través de este condensador se evalúa usando un comparador 10 y un elemento de memoria 11, en este caso: un flip-flop de tipo D. El elemento de memoria 11 se usa para retener/almacenar la señal de salida de comparador en unos puntos predefinidos en el tiempo (final del período de la señal de entrada de CA).

Cuando el circuito reiniciable se reinicia cerrando el conmutador, y descargando así el condensador, una salida 14a, 14b del comparador se pone a cero.

En los puntos predefinidos en el tiempo, inmediatamente antes del reinicio del circuito reiniciable 2, el elemento de memoria 11 es activado para la comprobación de la tensión del condensador o, más exactamente, para la comprobación de la señal de salida de comparador 10 (que depende de la tensión del condensador). Para activar el elemento de memoria, el elemento de memoria 11 comprende una entrada de activación 12, que está conectada eléctricamente con la línea de entrada 7 a través de una línea de activación 13 para transmitir una señal, a partir de la cual se puede determinar el final del periodo de la señal de entrada de CA para el elemento de memoria 11. Por tanto, antes de que la salida de comparador 14a, 14b se ponga a cero debido al reinicio del circuito reiniciable, la salida de comparador 14a, 14b es comprobada por el elemento de memoria 11. Preferiblemente, el final del periodo está definido por un borde predeterminado, en particular un cruce por cero de polaridad, o un borde descendente o ascendente de la señal de entrada de CA. El elemento de memoria 11 se activa en un cambio definido de positivo a negativo, o viceversa, pero no en ambos. La línea de activación 13 puede estar conectada eléctricamente de forma directa con la fuente de CA 1 (es decir, aguas arriba del control de conmutador 6 - no mostrado). En este caso, la señal transmitida a través de la línea de activación es la propia señal de entrada de CA. Esto es especialmente ventajoso cuando se utiliza una señal de onda cuadrada, que ya presenta bordes afilados. Tales bordes afilados de una señal pueden utilizarse para activar el elemento de memoria cuando el dispositivo de memoria 11 comprende un detector de bordes.

Alternativamente, la línea de activación 13 puede estar conectada a la línea de entrada 7 entre el dispositivo de detección de cruce por cero del control de conmutador 6 y el conmutador de descarga 5 (es decir, aguas abajo del control de conmutador 6, en la entrada al conmutador de descarga 5) como se muestra en la figura 1. El control de conmutador está adaptado preferiblemente para detectar un borde predeterminado (por ejemplo, cruces por cero) de señales de entrada de CA arbitrarias, en particular de una señal sinusoidal. El control de conmutador 6 recibe la señal de entrada como entrada y genera un pulso por cada borde predefinido (ascendente o descendente) en su salida. Para una señal analógica, este borde indica un cruce por cero ascendente o descendente de la señal. Con el fin de facilitar la detección de borde de señales de onda no cuadradas, el control de conmutador 6 convierte la señal de entrada de CA en picos de señal afilados. Una forma de onda intermedia correspondiente IW2 se muestra en la figura 1 a la derecha. La forma de onda intermedia IW2 se suministra al conmutador de descarga 5 al objeto de reiniciar el circuito reiniciable en caso de un pico. Si es necesario, la forma de onda intermedia IW2 se genera a través de una etapa intermedia, en la que primero se genera una señal cuadrada (forma de onda intermedia IW1) usando el dispositivo de detección de cruce por cero, y a continuación la forma de onda intermedia IW2 se genera por medio de un detector de borde (por ejemplo, integrado en el dispositivo de detección de cruce por cero o proporcionado adicionalmente). En el caso en el que la línea de activación 13 está conectada aguas abajo del dispositivo de detección de cruce por cero, la señal transmitida a través de la línea de activación 13 es la forma de onda intermedia primera o segunda IW1, IW2. Esto es especialmente ventajoso cuando como señal de entrada de CA no se utiliza una señal de onda cuadrada. En este último caso, el elemento de memoria 11 se activa con la entrada de conmutador del conmutador de descarga 5.

El reinicio periódico del circuito reiniciable 2 da como resultado una carga y descarga periódicas del condensador 3, dando como resultado una tercera forma de onda intermedia IW3 en la entrada del comparador 10.

En la realización mostrada en la figura 1, el comparador 10 es un comparador de ventana, es decir, comprende una primera entrada de señal 16 para recibir una señal de salida de comparador si no se alcanza un umbral inferior al final del periodo de la señal de entrada de CA, y una segunda entrada 17 (entrada de reinicio) para recibir una señal de salida de comparador 10 si se supera un umbral superior. El elemento de memoria 11 (en este caso: un flip-flop) solicita una salida de comparador al final del período de la señal de entrada de CA. Mientras el elemento de memoria 11 no reciba una señal de salida de comparador 10 en respuesta a la solicitud, el elemento de memoria 11 emite una señal de frecuencia ok en su salida 15 (se activa un indicador de frecuencia ok del elemento de memoria 11) hasta que se detecte una señal de salida de comparador en una de las entradas del elemento de memoria 11. Tan pronto como el elemento de memoria 11 recibe una señal de salida (debido a que la frecuencia de la señal de entrada de CA supera el umbral superior o a que no alcanza el umbral inferior), el elemento de memoria emite una señal de cero 15 (se desactiva el indicador de frecuencia ok del elemento de memoria 11).

A diferencia del conmutador de descarga 5, que solamente se reinicia al final del período de la señal de entrada de CA, la salida del elemento de memoria 11 se retiene adicionalmente de forma asíncrona en caso de que el comparador 10 detecte que la tensión del condensador se eleva por encima del umbral superior para cubrir el caso de una señal de entrada estática, y para dar un tiempo de respuesta garantizado.

A continuación, se consideran casos diferentes:

Si la frecuencia está dentro del intervalo permitido, el condensador 3 se cargará hasta que la tensión cruce el umbral inferior del comparador de ventana 10. El siguiente borde ascendente de la señal de entrada tendrá lugar mientras la tensión del condensador está todavía dentro del área válida (ventana correspondiente al intervalo de frecuencia permitido de la señal de entrada de CA), propagando la indicación de frecuencia ok a la salida del flip-flop 11. Se activará el indicador de frecuencia ok del flip-flop.

Si la frecuencia es demasiado alta (periodo demasiado corto), el condensador 3 empezará a cargarse, pero nunca alcanzará el umbral inferior del comparador de ventana 10. Esto hace que su salida nunca sea establecida, lo que conduce a que un nivel "0" sea retenido en el flip-flop 11 tras los bordes ascendentes de la entrada de señal. El indicador de frecuencia ok permanecerá desactivado.

Si la frecuencia es demasiado baja (periodo demasiado largo), el condensador 3 empezará a cargarse, se moverá a través de la ventana del comparador de ventana 10, pero después saldrá de la ventana cuando la tensión cruce el umbral superior. La indicación de señal válida, sin embargo, no progresará a través del flipflop 11 ya que sólo considera su entrada en el borde ascendente de la señal de entrada (punto predeterminado en el tiempo), punto en el cual la salida de comparador será '0' de nuevo. Además, el flip-flop 11 quedará retenido asíncronamente tan pronto como la tensión del condensador exceda el umbral superior. Por lo tanto, el indicador de frecuencia ok permanecerá desactivado. Este comportamiento también cubre el caso de que la señal de entrada sea un nivel estático (por ejemplo, en caso de que la fuente de CA sea defectuosa).

Si la frecuencia cambia desde una frecuencia en el intervalo permitido a una frecuencia que es demasiado baja, el flip-flop 11 emite primero una señal de frecuencia ok (resultante de la tensión del condensador al final del período en el que la frecuencia estaba en el intervalo permitido) hasta que la tensión del condensador se eleva por encima del umbral superior. El indicador de frecuencia ok se desactiva cuando la tensión del condensador se eleva por encima del umbral superior.

Si la frecuencia cambia desde una frecuencia en el intervalo permitido a una frecuencia que es demasiado alta, el flip-flop 11 emitirá primero una señal de frecuencia ok (resultante de la tensión del condensador al final del período en el que la frecuencia estaba en el intervalo permitido) hasta el siguiente final de período de la señal de entrada, cuando el comparador ya no emitirá una señal porque la tensión del condensador no ha alcanzado el umbral inferior del comparador de ventana 10.

Los circuitos mostrados en la figura 1 y en la figura 2 no proporcionan ningún medio para detectar un fallo del propio circuito de supervisión. La figura 3 muestra una realización del circuito de monitorización de frecuencia de la invención que comprende un dispositivo de detección de fallo 18. Comprende un conmutador de selección de entrada 19, que está adaptado para conmutar entre la señal de entrada y una señal de prueba. El conmutador de selección de entrada 19 puede controlarse, por ejemplo, a través de una línea de conmutador 20. El conmutador de selección de entrada 19 permite que la señal de entrada o una señal de prueba se suministren al control de conmutador 6. Para comprobar el circuito de monitorización de frecuencia, la señal de entrada puede ser conmutada a una señal de prueba que está fuera de rango usando el conmutador de selección de entrada 19. A continuación, se puede comprobar si el circuito de monitorización de frecuencia detecta o no la señal inválida.

La señal de prueba puede generarse mediante una fuente de señal de prueba independiente 21 y puede suministrarse al control de conmutador 6 a través de una línea de prueba 22. El conmutador de selección de entrada 5 conmuta entonces entre una conexión del control de conmutador 6 con la entrada de señal de CA 1 y una conexión del control de conmutador 6 a la fuente de señal de prueba 21. Para este propósito, el conmutador de selección de entrada 19 está conectado a la línea de entrada 7 aguas arriba del control de conmutador 6, como se muestra en la figura 3.

Alternativamente, si la señal de prueba se genera desde una fuente que también está controlada por el sistema de monitorización de frecuencia, por ejemplo, suministrada a través de la entrada de señal de CA 1, se pueden saltar o duplicar dos ciclos de reloj de la señal de entrada para comprobar el conjunto de circuitos de monitorización. En este caso, una fuente de señal de prueba 21' está conectada a la entrada de señal de CA 1 como se muestra en la figura 4, y comprende un dispositivo para saltar o duplicar la señal de entrada. A menudo, este cambio de la señal de entrada no afecta a los circuitos controlados por la señal de entrada, sino que es detectado por el circuito de monitorización de frecuencia.

La figura 5 muestra las etapas básicas del método de la invención. La señal de entrada de CA se proporciona en la etapa AC. En la etapa ED, un borde de la señal de entrada de CA es detectado (por el control de conmutador 6 y posiblemente también por el dispositivo de memoria 11). Mediante la detección del borde de la señal de entrada de CA, se activa la descarga y la carga constante posterior del condensador 3 del circuito reiniciable 2, 2' (etapa CH). La tensión del condensador se compara con al menos un umbral en la etapa COM usando el comparador, que emite una señal de salida de comparador que indica si la tensión del condensador cumple el al menos un umbral. Además, cuando se detecta el borde, el elemento de memoria 11 es activado para recibir la señal de salida de comparador (etapa REQ). Dependiendo de si la señal de salida de comparador indica que la tensión del condensador cumple el al menos un umbral, el elemento de memoria 11 emite una señal que indica si la frecuencia de la señal de entrada de CA a monitorizar está dentro del intervalo permitido (etapa OUT). Los umbrales del comparador 11 y la velocidad de carga del condensador 3 se adaptan entre sí de modo que sólo se cumplen cuando la frecuencia de la señal de entrada de CA está dentro del intervalo permitido. La figura 6 muestra un diagrama que representa la curva de carga (tensión del condensador V en función del tiempo de carga t) del condensador 3 de una realización especial del circuito reiniciable 2 que comprende un circuito RC y una fuente de tensión constante 4, como se muestra en la figura 1. A partir de la figura 6, se puede observar que la frecuencia central (o periodo central tc) del intervalo permitido no corresponde necesariamente a la posición de la tensión central Vm de la ventana de umbral del comparador 11.

Dadas la longitud de periodo central deseada tc, el margen de longitud de periodo inferior m1, el margen de longitud de periodo superior m2 (que juntos representan el intervalo permitido), la resistencia R de la resistencia 8 y de la capacidad C del condensador 3 del circuito reiniciable 2, se puede calcular la tensión central Vm requerida

como

El tamaño de ventana requerido Vw del comparador 11 se puede calcular como

La longitud del periodo central tc y los márgenes m1, m2 requeridos pueden calcularse a partir de una frecuencia f dada como

en donde

f<c>: La frecuencia central deseada [Hz]

f<m>: El margen hacia cada lado [Hz]

Cuando se selecciona una tensión central Vm, se recomienda permanecer en el medio de la tensión de alimentación de referencia de la fuente de tensión de referencia 4 para un mejor rendimiento. También se debe asegurar que la resistencia 8 sea capaz de suministrar la corriente de entrada al comparador de ventana 10. El circuito de supervisión de frecuencia de la invención permite una supervisión rápida y precisa de señales de entrada de CA arbitrarias. Se basa en un circuito RC reiniciable que se reinicia con la frecuencia de la señal de entrada. La señal emitida desde el circuito RC reiniciable se evalúa usando un comparador y un elemento de memoria. Su rápido tiempo de respuesta de un solo ciclo de entrada es ideal para aplicaciones en las que se requiere una reacción inmediata. Además, el bajo número de componentes de alta precisión requeridos mejora la eficiencia de costes del sistema.

Lista de signos de referencia

1 entrada de señal de CA

2, 2' circuito reiniciable

3 condensador del circuito reiniciable

4, 4' fuente de alimentación de referencia

5 conmutador de descarga

6 control de conmutador

7 línea de entrada

8 resistencia

10 comparador

11 elemento de memoria, en particular flip-flop

12 entrada de activación del elemento de memoria

13 línea de activación

14a, 14b salidas del comparador

15 salida del elemento de memoria

16 primera entrada de señal del elemento de memoria

17 segunda entrada de señal (entrada de reinicio) del elemento de memoria 18, 18' dispositivo de detección de fallo

19 conmutador de selección de entrada

20 línea de conmutador

21,21' fuente de señal de prueba

22 línea de prueba

tc longitud de periodo central deseada [s]

m1 margen de longitud de período inferior [s]

m2 margen de longitud de periodo superior [s]

t1 límite de longitud de período inferior [s]

t2 límite de longitud de periodo superior [s]

VT tensión de referencia [V]

Vcap tensión a través del condensador

V2 tensión a través del condensador para el límite de longitud de periodo superior [V] Vm tensión central a fijar en el comparador de ventana [V]

Vw tamaño de ventana a fijar en el comparador de ventana [V]

Lista de documentos citados

[01] Documento de patente de Japón n° JP 20122109836 A

[02] Documento de patente de Alemania n° DE 4023700 C2

[03] Texas Instruments. (2014, diciembre). LM567 Datasheet, LM567x Tone Decoder: https://www.ti.com/lit/pdf/snosbq4

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Circuito de monitorización de frecuencia para monitorizar una señal de entrada de CA arbitraria, comprendiendo el circuito:

• una entrada de señal de CA (1) para proporcionar la señal de entrada que ha de ser monitorizada;

• un circuito reiniciable (2, 2') que comprende:

<o>un condensador (3) conectado a tierra,

<o>una fuente de alimentación de referencia (4, 4') para cargar el condensador (3),

<o>un conmutador de descarga (5) conectado en paralelo con el condensador (3) para controlar la carga y la descarga del condensador (3),

• un control de conmutador (6) para controlar el conmutador de descarga (5), estando el control de conmutador (6) conectado eléctricamente entre la entrada de señal de CA (1) y el conmutador de descarga (5), en el que el control de conmutador (6) está adaptado para detectar un borde predeterminado de la señal de entrada de CA y para controlar la apertura y el cierre del conmutador de descarga (5) dependiendo del borde predeterminado detectado;

• un comparador (10) con al menos una salida de comparador (14a, 14b), estando el comparador conectado eléctricamente después del circuito reiniciable (2, 2'), en el que el comparador (10) está adaptado para comparar la tensión del condensador con al menos un umbral que limita un intervalo de frecuencia permitido predeterminado, y para proporcionar una señal de salida de comparador en su salida de comparador (14a, 14b) que indica si la tensión del condensador cumple el umbral; y

• un elemento de memoria (11) que comprende:

<o>al menos una entrada de señal (16, 17) conectada a la salida de comparador para recibir la señal de salida de comparador (14a, 14b),

<o>una salida de señal (15) para emitir una señal de salida de frecuencia ok constante siempre que las señales de entrada permanezcan dentro del intervalo de frecuencia permitido, en el que la señal de salida se actualiza por la señal de salida de comparador, en particular en puntos de tiempo predefinidos, y

<o>una entrada de activación (12) conectada para activar el elemento de memoria (11), en el que la entrada de activación (12) está conectada a la entrada de CA (1).

2. Circuito de monitorización de frecuencia según la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento de memoria (11) es un circuito de cierre o un flip-flop, en particular un flip-flop de tipo D.

3. Circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento de memoria (11) comprende una primera entrada de señal (16) para recibir la señal de salida de comparador si la tensión del condensador supera un primer umbral y una segunda entrada de señal (17) para recibir la señal de salida de comparador si la tensión del condensador supera un segundo umbral.

4. Circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el comparador (11) es un comparador de ventana que tiene un umbral superior y un umbral inferior.

5. Circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la fuente de tensión de referencia (4) es una fuente de tensión constante que está conectada eléctricamente con una resistencia (8), en el que el condensador (3) y la resistencia (8) están conectados en serie.

6. Circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la fuente de tensión de referencia (4') es una fuente de corriente constante.

7. Circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se proporciona un conmutador de selección de entrada (19) que está adaptado para conmutar entre la señal de entrada y una señal de prueba.

8. Método de monitorización de la frecuencia de una señal de entrada de CA, comprendiendo el método: • proporcionar la señal de entrada de CA que ha de ser monitorizada;

• cargar constantemente un condensador (3) de un circuito reiniciable (2, 2') usando una fuente de tensión de referencia (4, 4'), dando como resultado una tensión en el condensador;

• detectar la tensión del condensador y comparar la tensión del condensador con al menos un umbral predefinido usando un comparador (10);

• detectar un borde predeterminado de la señal de entrada de CA, definiendo el borde predeterminado un final del periodo de la señal de CA;

• reiniciar el circuito reiniciable (2, 2') descargando el condensador (3) al final del periodo de la señal de entrada de CA usando un conmutador de descarga (5);

caracterizado por que

el conmutador de descarga (5) se activa exclusivamente en función del borde predeterminado detectado, y un elemento de memoria (11) que comprende al menos una entrada de señal (16, 17) y una entrada de activación (12), en el que la al menos una entrada de señal (16, 17) está conectada a la salida de comparador y en el que la entrada de activación (12) está conectada a la entrada de CA (1) para activar el elemento de memoria (11) para comprobar la tensión del condensador en unos instantes de activación, en el que los instantes de activación son puntos en el tiempo con respecto al período de la señal de entrada de CA y están separados en el tiempo un período de la señal de entrada de CA, y

si la tensión del condensador al final del período de la señal de entrada de CA cumple el umbral, se emite una señal de salida de frecuencia ok constante (15) desde un elemento de memoria (11), y

si la tensión del condensador al final del período de la señal de CA no cumple el umbral, no se emite ninguna señal de salida de frecuencia ok desde el elemento de memoria (11).

9. Método según la reivindicación 8, caracterizado por que el condensador se carga según la misma curva de carga después de cada reinicio del circuito reiniciable.

10. Método según la reivindicación 8 ó 9, caracterizado por que el elemento de memoria comprueba la salida de comparador al final del periodo.

11. Método según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por que el proceso de carga sólo se interrumpe al final de cada período de la señal de entrada.

12. Método según una de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por que la carga y la descarga se realizan a través del mismo conmutador de descarga.

13. Método según una de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizado por que la salida del elemento de memoria es retenida después de un tiempo de espera.

14. Método según una de las reivindicaciones 8 a 13, caracterizado por que la tensión del condensador se compara con un umbral inferior y con un umbral superior usando un comparador de ventana.

15. Método según una de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizado por que se utiliza un circuito de monitorización de frecuencia según una de las reivindicaciones 1 a 7.