DE1524897B2 - - Google Patents
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- G11—INFORMATION STORAGE
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- G11C27/024—Sample-and-hold arrangements using a capacitive memory element
-
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Abtasten eines elektrischen Signals und zum Speichern einer der
Abtastprobe entsprechenden elektrischen Ladung auf einem elektrischen Speicher, dessen Ladung zyklisch
regeneriert wird.
Eine derartige Schaltung ist aus der britischen Patentschrift 10 51 395 bekannt. Eines der Anwendungsgebiete
solcher Schaltungen ist ihr Einsatz bei der Prozeßsteuerungmittels eines Prozeßrechners.
Dabei werden Spannungen verwendet, um bestimmte Wandler zu betätigen. Oft ist es erforderlich, solche
Spannungen sehr rasch zu erzeugen, sie in mehreren Ladungsspeichern zu speichern und dann die Speicherelemente
wahlweise zu entladen, wenn die Spannungen benötigt werden. Die moderne Prozeßsteuerung erfolgt
im allgemeinen mittels einer digitalen Rechenanlage, um die Spannungen zu bilden und um ihre im Multiplexverfahren
erfolgende Übertragung auf die Ladungsspeicherelemente zu steuern. Das Multiplexverfahren
erfordert Schaltkreise. Außerdem wird die Rechenanlage dazu verwendet, das Spannungssignal zyklisch
zu regenerieren, um eine verhältnismäßig konstante Ladung in den Ladungsspeichern zu gewährleisten.
Um die digitale Rechenanlage wirksam auszunützen, sollten die Schaltkreise möglichst schnell sowie zuverlässig
arbeiten. Außerdem müssen sie verhindern, daß die gespeicherten Ladungen während eines möglichen
Ausfalls der Rechenanlage abfließen. Eine große Anzahl von Ladungen werden häufig in getrennten Ladungsspeichern
gespeichert, und jede Ladung spielt eine Rolle beim Steuern des Prozesses. Wenn die Ladungen
in der Zeit, während der die Rechenanlage nicht betriebsbereit ist, abfließen, so kann das ernste
Folgen für die Steuerung des Prozesses haben. Wenn beispielsweise eine Reihe von Wandlern, welche verschiedene
Drücke und Temperaturen steuern, ausfallen, so könnte die Sicherheit gefährdet sein oder ein finanzieller
Verlust für den Unternehmer entstehen. Aus der USA.-Patentschrift 32 14 601 ist es zwar grundsätzlich
bekannt, bei einer Speicherschaltung im Falle eines Maschinenfehlers einen im Speicherkreis liegenden Relaiskontakt
öffnen zu lassen. Das Problem jedoch, dem sich der Stand der Technik gegenüber sah, bestand darin,
daß kein einziger Schalter sowohl die erforderliche Schaltgeschwindigkeit als auch eine langanhaltende Ladungsisolierung
aufwies.
Ein Festkörperschaltkreis allein besitzt zwar eine hohe Schaltgeschwindigkeit, gewährleistet jedoch nicht
ίο die notwendige Isolation der Ladung, wenn die Rechenanlage
versagen sollte. Ein elektromechanischer Schalter stellt die notwendige Isolierung der Ladung
während eines Ausfalls der Rechenanlage sicher, aber seine Schaltgeschwindigkeit ist niedriger als die eines
Festkörper-Schaltkreises. Außerdem ist seine Lebensdauer geringer. Daher arbeitet keiner der beiden Schalter
allein völlig zufriedenstellend.
Bekannte Lösungen dieses Problems sind im allgemeinen kompliziert und teuer oder in anderer Hinsicht
unbefriedigend. Sie enthalten z. B. eine Widerstands-Kettenbruchschaltung
zusammen mit Schaltdioden. Diese Lösung ist teuer wegen der Präzisionswiderstände,
die für die Kettenbruchschaltung erforderlich sind. Außerdem
ist diese Anordnung schwierig herzustellen.
IS Dies gilt allgemein für die unbefriedigenden Lösungen
nach dem Stand der Technik.
Die Schaltung nach der Erfindung vermeidet die genannten Nachteile. Diese Schaltung zum Abtasten
eines elektrischen Signals und zum Speichern einer der Abtastprobe entsprechenden elektrischen Ladung, auf
einem elektrischen Speicher, insbesondere für Zwecke der Prozeßsteuerung unter Verwendung eines Prozeßrechners
ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung zu dem elektrischen Ladungsspeicher ein Festkörper-Schaltkreis
und in Serie damit ein elektromechanischer Schalter in der genannten Reihenfolge angeordnet
sind, über die die Abtastproben dem Ladungsspeicher zugeführt werden, und daß der elektromechanische
Schalter sich bei Ausfall seines Steuersignals und der Regenerierung öffnet und ein Abfließen der gespeicherten
Ladung über den Festkörperschaltkreis verhindert.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben,
von denen zeigt
F i g. 1 in Form eines Blockdiagramms die Anwendung der Erfindung in einem Betriebssystem, das das
Ausnützen ihrer Vorteile erlaubt,
F i g. 2 in einer Kombination eines Blockschaltbildes mit einem Detailschaltbild die neuen Aspekte der Erfindung genauer,
F i g. 2 in einer Kombination eines Blockschaltbildes mit einem Detailschaltbild die neuen Aspekte der Erfindung genauer,
F i g. 3 das Schaltbild eines typischen Ausführungsbeispiels der Erfindung,
F i g. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel für das Wiederaufladen eines Speicherelements während eines Ausfalls eines Gerätes.
F i g. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel für das Wiederaufladen eines Speicherelements während eines Ausfalls eines Gerätes.
In F i g. 1 ist die Steuerung eines physikalischen Prozesses 10 mittels einer Rechenanlage 12 angedeutet.
Der Prozeß 10 ist gekennzeichnet durch mehrere steuerbare Variable, deren Werte durch zugeordnete
Wandler 14-16 gemessen werden; entsprechende digitale Signale treten auf Leitungen 18-20 auf, welche zu
der Rechenanlage 12 führen. Die Rechenanlage 12 verarbeitet die über die Leitungen 18-20 zugeführten Signale
und liefert auf Leitungen 22-24 Steuersignale zur Korrektur oder Neuerstellung der Werte der gemessenen
Variablen. Normalerweise treten diese Steuersignale in der Form von Analogsignalen auf, von denen
jedes im Multiplexverfahren mittels einer Schalter- und Speicheranordnung 26-28 einem Speicherelement zugeführt
wird; auf diese Weise wird eine Darstellung des elektrischen Eingangssignals in dem Speicherelement
gespeichert Die Spannungen werden dann anschließend den zugeordneten Wandlern 30-32 zugeführt Auf
ähnliche Weise regeneriert die Rechenanlage 12 bei normalem Betrieb zyklisch diese Spannungen, um die
Ladung auf einem Speicherelement auf einem relativ konstanten Wert zu halten. Diese Spannungen der Ladungsspeicher-Elemente
werden den Wandlern 30-32 nacheinander zugeführt, und sie stellen die Ventile,
Temperaturen usw. für den Prozeß 10 ein. Die Erfindung betrifft den Aufbau und den Betrieb einer Schalter-
und Speicheranordnung 26.
F i g. 2 zeigt in einer Kombination eines Block- und eines Detailschaltbildes die neuen Aspekte der Erfindung.
Der Aufbau einer Schalter- und Speicheranordnung 26 ist innerhalb der gestrichelten Linien gezeigt.
Jede solche Schalter- und Speicheranordnung enthält mindestens einen Festkörper-Schaltkreis 40, der mit
mindestens einer elektromechanischen Schaltvorrichtung 42, die z. B. ein Relais sein kann, in Reihe geschaltet
ist. In Reihe geschaltet mit dem Festkörper-Schaltkreis 40 und dem elektromechanischen Schalter 42 ist
ein elektrischer Ladungsspeicher, wie z. B. der geerdete Kondensator 44. Der Festkörper-Schaltkreis 40, der
elektromechanische Schalter 42 und der Kondensator 44 bilden zusammen eine Schalter- und Speicheranordnung
26/ .
Beim Betrieb erzeugt die Rechenanlage 12 ein Spannungssignal auf Leitung 22. Die Rechenanlage 12 führt
in diesem Beispiel das notwendige Betriebspotential einer Klemme eines Festkörper-Schaltkreises 40 und
der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 zu, so daß der Festkörper-Schaltkreis 40 vorübergehend
leitend und der elektromechanische Schalter 42 ständig geschlossen wird. Dieser Vorgang wird ausführlicher
im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben. Das Signal auf Leitung 22 gelangt dann über den Festkörper-Schaltkreis
40 und den elektromechanischen Schalter 42 zum Kondensator 44, in dem es gespeichert wird.
Der Festkörper-Schaltkreis 40 wird dann nichtleitend (z. B. auf Grund der Abschaltung des notwendigen Betriebspotentials),
und die Ladung wird im Kondensator 44 gespeichert, bis der Wandler 30 sie benötigt oder
verwenden kann.
Die hohe Schaltgeschwindigkeit des Festkörper-Schaltkreises 40 der Fig.2 wird dazu benutzt, das
Spannungssignal auf Leitung 22 zum Kondensator 44 zu übertragen. Bei normalem Betrieb reicht die Impedanz,
die der Festkörper-Schaltkreis 40 für eine Ladung auf dem Kondensator 44 bildet aus, um ein Abfließen
der Ladung für eine bestimmte Zeit zu verhindern. Außerdem wird im normalen Betrieb die Ladung des
Kondensators 44 zyklisch wiederaufgefüllt Sollte die Rechenanlage 12 jedoch ausfallen, dann würde die Ladung
des Kondensators 44 bald über den Festkörper-Schaltkreis abfließen, und es ist keine Vorrichtung vorgesehen,
um den Kondensator 44 wieder aufzuladen. Wenn jedoch die Rechenaniage ausfällt, kann sie der
Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 keinen Strom mehr zuführen. Dann wird der Schalter 42, der
durch den Strom in der Spule 43 geschlossen gehalten wurde, geöffnet. Infolge der hohen Impedanz, die der
geöffnete Schalter 42 für die im Kondensator 44 gespeicherte Ladung bildet kann diese sich nur sehr langsam
verringern, solange die Rechenanlage außer Betrieb ist Auf diese Weise kann der Prozeß stabilisiert
werden, bis das Wartungspersonal die Stromversorgung wieder sichergestellt oder die Rechenanlage repariert
hat Wenn die Rechenanlage 12 wieder arbeitet, werden die notwendigen Potentiale wieder dem Festkörper-Schaltkreis
40 und der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 zugeführt, um sie wieder in
Normalzustand zurückzubringen.
F i g. 3 zeigt das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles der Erfindung. Der Festkörper-Schaltkreis 40 ist als
Feldeffekt-Transistor dargestellt Zwei in Reihe geschaltete Feldeffekt-Transistoren, die als ein Schalter
arbeiten, sind ausreichend. Es können auch andere Festkörperschalter verwendet werden, solange sie gemeinsam
hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen und das rasche Abfließen der Ladung des Kondensators 44
im normalen Betrieb verhindern. Mit dem Festkörper-Schaltkreis 40 ist der elektromechanische Schalter 42 in
Serie geschaltet, für den in der Praxis ein Relais verwendet werden kann. Ebenfalls in Reihe geschaltet mit
dem Feldeffekt-Transistor 40 und dem Relais 42 ist ein Speicherkondensator 44, der einen Kapazitätswert von
1 Microfarad aufweisen kann. Andere komplizierte Schaltungen für das Speichern von Ladungen, welche"
Spannungen entsprechen, können mit gleichem Erfolg benutzt werden. Eine lineare Verstärkerschaltung mit
einer positiven Spannungsquelle 50, einem Transistor 54 sowie einem Feldeffekt-Transistor 52 und einem
Widerstand 56 ist ebenfalls für das Weiterleiten des erhaltenen Signals vom Kondensator 44 zu einem Wandler
30 dargestellt
Bei dem Beispiel nach F i g. 3 liegt die Schaltzeit des Feldeffekt-Transistors 40 für ein Spannungssignal von 1
bis 5 Volt auf Leitung 22 in der Größenordnung von Mikrosekunden, während die Schaltzeit für das Relais
42 in der Größenordnung von Millisekunden liegt. Der Feldeffekt-Transistor 40 erfordert einen Impuls von ungefähr
10 bis 20 Volt an der Klemme 41, um leitend zu werden. Ähnlich hält eine Spannung von etwa 24 Volt
an der Spule 43 den Schalter 42 geschlossen. Die Spannung an der Klemme 50 kann +30 Volt betragen. Der
Widerstand 56 kann einen Wert von 10,000 0hm aufweisen. Alle diese Werte sind lediglich als Beispiele angegeben
und können vom Fachmann leicht geändert werden.
F i g. 4 zeigt eine Abwandlung der Schaltung, gemäß der der Kondensator 44 positiv aufgeladen wird, wenn
der Spule 43 des elektromechanischen Schalters 42 keine Energie mehr zugeführt wird. Durch Ändern der innerhalb
der Linien 4-4 der F i g. 3 dargestellten Schaltung kann eine Spannungsquelle 60 mit dem Kondensator
44 verbunden werden, wenn die Rechenanlage ausfallen sollte. Dann wird Kondensator 44 auf den richtigen
Spannungspegel aufgeladen, der sich unabhängig davon, wie lange eine Reparatur dauert nicht mehr ändert.
Die Wirkungsweise der übrigen Schaltung bleibt im wesentlichen dieselbe.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Schaltung zum Abtasten eines elektrischen Signals und zum Speichern einer der Abtastprobe
entsprechenden elektrischen Ladung auf einem elektrischen Speicher, dessen Ladung zyklisch regeneriert
wird, insbesondere für die Prozeßsteuerung unter Verwendung eines Prozeßrechners, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Zuleitung (22; F i g. 2) zu dem elektrischen Ladungsspeicher
(44) ein Festkörper-Schaltkreis (40) und in Serie damit ein elektromechanischer Schalter (42) in
der genannten Reihenfolge angeordnet sind, über die die Abtastproben dem Ladungsspeicher zugeführt
werden, und daß der elektromechanische Schalter sich bei Ausfall seines Steuersignals und
der Regenerierung öffnet und ein Abfließen der gespeicherten Ladung über den Festkörper-Schaltkreis
verhindert.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper-Schaltkreis mindestens
einen Feldeffekt-Transistor enthält und der elektromechanische Schalter ein Relais ist
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