JP3277510B2 - フェイルセーフ論理回路 - Google Patents

フェイルセーフ論理回路

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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/007Fail-safe circuits

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、信頼性、安全性の要求
されるシステムにおいて、フェイルセーフ論理を実現す
るに好適な論理回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、様々な制御システムにおいて、か
つてリレーで論理回路を構成していたものがマイクロコ
ンピュータ等のエレクトロニクス回路に置き換えられつ
つある。 ところが、このエレクトロニクス素子は壊れ
た場合どのような状態になるか保証されず、リレーのよ
うに壊れたら必ずオフ側になると云った、いわゆるフェ
イルセーフ性を持たないため、制御のフェイルセーフ
性、安全性を求められるシステムにおいては、部分的に
しろ、未だリレーによる論理回路が利用されている。
【0003】例えば、鉄道で用いられている自動列車制
御装置ATCは、制御機能そのものはエレクトロニクス
素子で実現し、それを3重系の多数決論理を構成してい
るが、多数決を行なう論理回路にはリレーが用いられて
いる。
【0004】一方、エレクトロニクス素子によってフェ
イルセーフ論理回路を実現しようとする試みは古くから
あり、その一つとして、アナログ回路を用いて発振回路
を構成し、発振の有無によって論理の1と0を表し、素
子に故障の発生した場合はこの発振が停止するものであ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】当然のことながら、リ
レーを用いた論理回路は、小型化が困難であり、フェイ
ルセーフとはいえ故障が無い訳ではなくむしろ接点の接
触不良等、エレクトロニクス素子よりも故障率は高い。
【0006】また、発振型のフェイルセーフ論理回路
は、アナログ回路によって構成しているためディジタル
回路のような集積回路技術を利用しにくく、小型化、低
価格化が困難であり、また、回路の性格上演算速度に制
約があり、特殊な対象に利用されているに過ぎない。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、以上のような
問題に鑑みて、フェイルセーフ論理をディジタル集積回
路略してディジタルICによって実現し、フェイルセー
フ論理回路の小型化、高速化を実現するものである。
【0008】図1はその基本回路を示したもので、複数
のフリップフロップを縦列に接続し、最後段のフリップ
フロップの出力を最前段の入力に論理的に反転させて結
合したリングを構成し、各々のフリップフロップのタイ
ミング(又はクロック)入力端に論理回路としての信号
を入力することでフェイルセーフ性を持った論理回路を
構成するものである。
【0009】
【作用】本発明は、図2のタイミングチャートに示すよ
うに、先ず論理回路に入力される信号Xa,Xbを、規
定の周期でオンオフする交番(またはパルス)信号で表
現し、その交番の有無、もしくはその周波数で論理値の
1,0に対応させる。この信号を各フリップフロップの
タイミング入力端に加えると、信号Xa,Xbが両方の
パルスが現れたとき各フリップフロップの出力は次の段
にシフトされ、最後段が反転して最前段に接続されてい
るため最後段のフリップフロップの出力には交番する信
号が現れる。一方、Xa,Xbの何れかにパルスが存在
しなくなると、シフトが行なわれなくなるため最後段の
フリップフロップのは出力は交番しなくなる。即ち、図
1の回路は2入力の論理積(AND)回路を構成してい
ることになる。
【0010】この回路は、フリップフロップが故障した
場合、通常はフリップフロップとして動作しなくなるた
め、出力の交番信号が無くなり、ディジタルICでフェ
イルセーフな論理回路を実現することが出来る。
【0011】
【実施例】以下、図に基づいて本発明の実施例を説明す
る。
【0012】図1は本発明の基本原理を示す回路で、1
a,1bはフリップフロップ、2a,2bは信号入力端
で、各フリップフロップ1a,1bのタイミング入力端
に接続されている。また、3はこの論理回路の出力端
で、最後段のフリップフロップの出力に接続されてい
る。
【0013】ここで、図2のタイミングチャートで示す
ように、先ず、入力信号Xa,Xbにパルスがある場合
は、図1のフリップフロップ1a,1bはシフトレジス
タのように各出力の値を次段にシフトする。この時、最
後段のフリップフロップである1bの出力は、反転して
最前段のフリップフロップ1aの入力に接続されている
ため1,0に反転する出力が最後段のフリップフロップ
の出力に現れる。
【0014】次に、一方の入力信号例えばXbにパルス
が無くなった場合、フリップフロップ1bの出力はタイ
ミング入力端にパルスが入らなくなるので変化しない。
これは入力Xaのパルスが無くなっても同様であり、両
方の入力にパルスが現れたときのみ出力に交番信号が現
れない。
【0015】即ち、入力Xa,Xbをパルスの存在を論
理値1に、ない場合を0に対応させ、出力信号に交番が
発生したときを1に対応させれば図1の回路は2値論理
の論理積(AND)回路を実現していることになる。
【0016】以上は論理回路に故障の無い場合の動作を
説明したが、図1の回路において、接続線の断線は全て
出力の交番信号が無くなるモードとなり、論理的には0
側になる。
【0017】次に、フリップフロップ1a,1bの何れ
か一方が故障した場合、入力D出力Qの1,0何れの固
着に関しても出力の交番が無くなり同様に論理的には0
となる。例外的に仮にタイミング入力端Tから入る信号
が直接フリップフロップの出力Qに現れるような複雑な
故障が発生した場合は出力に交番信号が現れることにな
るが複数の内部ゲートが同時に壊れたとき以外は発生し
ない。
【0018】従って、殆どの故障において本回路は論理
的に0の状態になり、ここにフェイルセーフ性を実現す
ることが出来る。
【0019】図3は、図1の基本原理回路を基に3値論
理のAND回路の実施例を示したもので、1a,1bは
フリップフロップ、5a,5bは入力微分回路、6は遅
延回路である。
【0020】今、図3の構成において、図4に示す信号
Ya,Ybを、規定周期内において1回交番する場合を
論理値0とし、2回交番する場合を論理値1と規定し、
何も変化の無い場合を空(φ)とする3値論理で表現
し、φは故障あるいは誤りを示すものとする。このよう
にして表現される信号Ya,Ybが入力端4a,4bに
入力された場合、各入力Ya,Ybは、微分回路5a,
5bによって、信号の変化点においてパルスを発生し、
各々Xa,Xbで示す波形の信号を得る。この信号を図
1と同様に各フリップフロップのタイミング入力に加え
るが、Xbについては遅延回路6によって時間tdだけ
タイミングをずらした信号Xb’としてフリップフロッ
プのタイミング入力とする。
【0021】このようにすることによって、図4のタイ
ミングチャートに示すように、フリップフロップ1a,
1bはYa,Ybの両入力が論理値1を示している周期
は、フリップフロップ1bの出力Zは1周期に2回交番
する論理値1を示し、一方でも入力が論理値0を示すと
きは出力Zは1回のみ交番する論理値0を示すANDの
論理回路となる。更に、入力が一方でも交番しない空
(φ)を示しているときには出力Zも交番しないφとな
る。一方、図3の回路に故障があった場合にも出力はφ
となり、このように3値論理とすることによって、入力
の異常、論理回路の故障を正常な場合と区別することが
出来きる。これはフェイルセーフではあるが論理値1,
0のみしか表現出来ず、故障と0とを区別出来ない図1
の2値論理の場合より演算した結果の信頼度を高めるこ
とが出来る。更に、入力を一旦微分処理することによっ
て、入力と出力を同一形式の信号とすることができ、こ
の出力Zは次の回路の入力として利用することが出来
る。
【0022】この回路は2入力の場合を示したものであ
るが、フリップフロップをn段とすることでn入力のA
ND回路を構成できることは言うまでもない。
【0023】又、図3の構成要素である微分回路は、図
7に示すように、フリップフロップと排他論理和(EO
R)ゲートによって構成出来ることは周知のことであ
る。
【0024】次に、図5は今一つの実施例であるOR論
理回路の構成を示したもので、入力Ya,Ybは微分回
路5a,5bで微分された後、ORゲート7で単純論理
和をとってフリップフロップ1のタイミング入力とす
る。
【0025】図6はその動作を示すタイミングチャート
で、入力の一方でも論理値1を示す場合出力Zは論理値
1を示し、両入力とも0の場合出力はZは0を示す。
【0026】尚、本回路の場合、入力の一方に障害があ
り、φとなった場合にも他方が正常であれば出力Zはφ
とはならず、φとなるのは両入力共にφの場合、及び回
路故障の場合のみである。
【0027】図7は図3、図5で用いる微分回路5a,
5bの詳細を示したもので、シフトレジスタを構成する
フリップフロップ51、52に入力Yを通し、その出力
を排他論理和(EOR)ゲートによって図8に示すよう
な微分出力を得る。
【0028】図9はANDとORを複合した多数決論理
の実施例を示したもので、1a,1b,1cは前記同様
フリップフロップで、各々縦列で入出力が接続され、最
後段の1cの出力が反転して1aの入力に接続されてい
る。ここで3つの入力Xa,Xb,Xcは各々微分回路
5a,5b,5cを通った後に、2入力の組合せで単純
論理和をとり、各々フリップフロップの順に遅延時間の
異なる遅延回路6b,6cでタイミングをずらし各々の
フリップフロップのタイミング入力とする。
【0029】このような構成とすることによって、図1
0のタイミングチャートで示すように、3入力の内、少
なくも2入力が1を示すとき出力Zは1となり、少なく
も2入力が0の時出力は0となる多数決論理が構成され
る。尚、図10のタイミングチャートは簡単のためタイ
ミングのずれは省略して示したものである。
【0030】図11は否定(NOT)論理回路の構成を
示したもので、EOR論理ゲート8の一方の入力に交番
入力Yを入力し、他方の入力端子に各周期の1/2の点
で反転する基準信号Iを入力することにより、EORゲ
ート8の出力Zに図12に示すような、論理的にYの否
定となる出力を得ることが出来る。
【0031】以上の基本的な論理回路を組合せることに
よって任意のフェイルセイフ論理回路を実現することが
出来る。
【0032】一方、この否定回路は素子の故障、あるい
はI入力が無くなることによって否定機能が動作しない
だけではなく、正常と区別出来ないため、シフトレジス
タを構成するフリップフロップ10及び11とEORゲ
ート9によって帰還回路を構成し、常に各周期の1/2
点で反転するI信号が存在することを監視することによ
って故障検出を可能にする。
【0033】
【発明の効果】以上のように、本発明に依れば、普通の
ディジタルICを用いてフェイルセイフ回路を構成する
ことが可能となり、信頼性や安全性の必要なシステムの
構成要素として用いることのよりフェイルセイフ回路を
容易に構成することが出来る点で、その効果は甚大であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例の基本である2入力論理積(AN
D)を実現する回路図
【図2】図2の動作を示すタイムチャート
【図3】本発明実施例の周波数で2論理値を表した2入
力AND論理回路
【図4】図3の論理回路の動作タイミングチャート
【図5】本発明実施例の2入力論理和(OR)回路
【図6】図5の動作タイムチャート
【図7】本実施例のエッジ検出のための微分回路
【図8】図7の動作タイミングチャート
【図9】本発明実施例の多数決論理回路
【図10】図9の動作タイミングチャート
【図11】本発明実施例の否定(NOT)論理回路
【図12】図11の動作タイミングチャート
【符号の説明】
1:エッジトリガフリップフロップ、2:パルス入力端
子、3:出力端子、4:周波数変調型入力パルス端子、
5:微分回路、6:遅延回路、7:OR論理ゲート、
8:EOR論理ゲート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H03K 19/007 H03K 19/23

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】タイミングパルスの前縁及び後縁の内、い
    ずれかで入力を出力に反映するタイミング入力端を持つ
    フリップフロップを複数縦列に接続し、 該フリップフロップの最終段の出力を1段目のフリップ
    フロップの入力に論理的に反転して接続した回路を構成
    し、 該フリップフロップの各々のタイミング入力端に各々独
    立のパルスを入力し、全てのフリップフロップの入力に
    パルスが到来している間、最終段のフリップフロップの
    出力に交番する信号を生じさせると共に、 前記複数のフリップフロップの少なくも1つのタイミン
    グ入力端に、複数のパルス列の論理和をとったパルスを
    入力することにより、各々の交番によって論理値を表現
    する入力と同様に交番する出力の論理的関係を論理和と
    なるべく構成し、前記フリップフロップの段数を2段以
    上とすることによって、入出力論理値の関係を論理和の
    論理積とする ことを特徴とするフェイルセーフ論理回
    路。
  2. 【請求項2】 前記論理積により、多数決論理回路を構成
    する請求項のフェイルセーフ論理回路。
  3. 【請求項3】 前記各フリップフロップのタイミング入力
    端に与えるパルス列を、パルスの到来の有無を論理値の
    1,0に対応させ、かつ、最終段のフリップフロップの
    出力における交番信号の有無を同様に論理値の1,0に
    対応させ、よって該論理回路によって論理積回路を構成
    する請求項1項のフェイルセーフ論理回路。
  4. 【請求項4】 前記フリップフロップの入出力信号に所定
    の周期を規定し、該周期内において、半周期で交番する
    信号を論理値の1と規定し、1周期毎に交番する信号を
    論理値の0と規定し、入力パルスの変化点を新たなパル
    スに変換する手段を備え、変換後の該パルスを各フリッ
    プフロップのタイミング入力端に加え、よって各入力パ
    ルスによって表される論理値と、出力信号で表される論
    理値によって関係づける請求項1項のフェイルセーフ論
    理回路。
  5. 【請求項5】 縦列接続されたフリップフロップの順序に
    対応して各フリップフロップのタイミング入力端に加え
    る前記パルスに異なった遅延時間を持つ遅延要素を挿入
    する請求項のフェイルセーフ論理回路。
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