DE2460245C2 - Anordnung zur Funktionsüberwachung eines aus mehreren Halbleiter-Bauelementen aufgebauten digitalen Schaltkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Funktionpüberwachung eines aus mehreren Halbleiter-Bauelementen aufgebauten digitalen Schaltkreises.

Das richtige Funktionieren von digitalen Schaltkreisen wird bisher meist durch Überwachung der eigentlichen Übertragungsfunktion geprüft, beispielsweise durch Überwachung der Übertragung besonders charakteristischer Signale oder speziell eingespeister Prüfsignale. Auch eine Überwachung durch Funktionsvergleich von doppelt oder mehrfach vorhandenen gleichartigen digitalen Schaltungen ist bekannt Diese bekannten Funktionsüberwachungsanordnungen sind relativ aufwendig und ihre Anwendung ist daher bis jetzt auf solche Schaltkreise beschränkt, die eine extrem hohe Funktionssicherheit verlangen und bei denen damit ein solcher Aufwand gerechtfertigt ist. Für einfachere digitale Schaltkreise sind diese schaltungstechnisch aufwendigen Funktionsüberwachungsanordnungen im allgemeinen nicht gerechtfertigt

Es ist bekannt, daß sogenannte komplementäre MOS Bauelemente im Normalbetrieb nur wenig Betriebsstrom verbrauchen, bei Fehlern an diesen CMOS-Bauelementen diese jedoch einen relativ großen Strom verbrauchen.

Es ist ferner bekannt, in die Speiseleitung von mit Halbleiter-Bauelementen bestückten Schaltkreisen Stromindikatoren beispielsweise in Form eines Widerstandes anzuordnen und damit diesen Schaltkreis auf eventuelle Überlastungen zu üb:rwachen (Schaltungen mit Halbleiter-Bauelementen, ßand 3, Siemens AG, 1967, Seiten 241-244 und Hilfsbuch für Kathodenstrahl-Oszillographie, 5. Aufl., 1965, S 100). Solche elektronischen Überlastsicherungen wären für die Funktionsüberwachung von digitalen Schaltkreisen nicht geeignet, sie wären in ihrer Ansprechempfindlichkeit zu ungenau.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und billige Anordnung zur Funktionsüberwachung eines aus mehreren Halbleiter-Bauelementen aufgebauten digitalen Schaltkreises zu schaffen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß komplementäre MOS-Bauelemente nicht nur bei Bauelementenfehlern einen gegenüber dem fehlerfreien Betrieb relativ großen Strom verbrauchen sondern daß dieser erhöhte Stromverbrauch auch auftritt, wenn ein solches Bauelement in einer digitalen Schaltung nicht richtig funktioniert, also beispielsweise der Eingangsanschluß eines solchen Bauelementes unterbrochen ist. Wird daher im Sinne der Erfindung ein in der Funktion zu überwachender digitaler Schaltkreis ausschließlich aus solchen komplementären MOS-Bauelementen aufgebaut, so wird es möglich, die Funktionstüchtigkeit eines solches digitalen Schaltkreises mit einem an sich bekannten einfachen Stromindikator zu überwachen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es daher bei einfachstem und billigstem Aufbau möglich, nahezu alle Funktionsfehler eines digitalen Schaltkreises durch die damit bedingte merkliche Erhöhung des Speisestroms festzustellen und anzuzeigen. Eine erfindungsgemäße Funktionsüberwachungsanordnung ist sowohl schaltungstechnisch als auch betriebstechnisch wesentlich einfacher und billiger aufzubauen als dies mit den bekannten eingangs erwähnten Überwachungsmaßnahmen möglich ist. Der Stromindikator ist im einfachsten Fall nur ein in die Speiseleitung de« zu überwachenden digitalen Schaltkreises eingeschalteter Widerstand, an dem in bekannter Weise der erhöhte Betriebsstroni durch Spannungsabfall angezeigt und ausgewertet wird. Der Stromindikator ist beispielsweise über einen Verstärker mit einer entsprechenden Anzeigelampe

oder einem Registriergerät verbunden, er kann aber auch mit einer automatischen Umschalteinrichtung gekoppelt sein, die bei Auftreten eines Funktionsfehlers den fehlerhaften Schaltkreis abschaltet rnd dafür einen gleichartigen fehlerfreien Schaltkreis zuschaltet Gemäß der Erfindung ist es dadurch möglich, redundante Systeme mit nur zwei Zweigen aufzubauen, wozu bisher bei gleicher Zuverlässigkeit mindestens drei oder mehr Zweige nötig waren. Wegen des sehr einfachen Aufbaues der FunktionsOberwachungsanordnung wird ι ο durch sie ein größeres Anwendungsgebiet erschlossen, d. h. es können auch solche Schaltkreise überwacht werden, bei denen bisher aus Kostengründen solche Überwachungen nicht sinnvoll waren. Die erfindungsgemäße Funktionsüberwachungsanordnung eignet sich zur Überwachung all solcher Schaltkreise, die gegenüber dem Stromverbrauch bei Normalbetrieb bei Fehlern eine merkliche Erhöhung des Betriebsstromes zeigen, also eine durch den Stromindikator auswertbare Siromänderung. Unter Schaltkreis werden dabei alle 2» Schaltungen verstanden, die aus einem oder mehreren Bauelementen bestehen und die z. B. Teil eines Gerätes oder einer größeren Gesamtschaltung sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt die Realisierung einer erfindungsgemäßen Funktionsüberwachungsanordnung bei einem CMOS-Schaltkreis einfachster Bauart,

F i g. 2 zeigt den Aufbau eines redundanten Systems jo unter Verwendung erfindungsgemäßer Funktionsüberwachungsanordnungen.

F i g. 1 zeigt einen zu überwachenden Schaltkreis B, der aus mehreren Bauelementen G besteht, die in einer nicht näher dargestellten Weise funktionsmäßig niiteinander verknüpft sind. Wie an Hand des einen Bauelements GI näher dargestellt ist, sind diese Bauelemente in der sogen, komplementären MOS-Technik realisiert. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Bauelement G 1 beispielsweise aus den 4» beiden Halbleiterelementen P und N komplementären Leitfähigkeitstyps. Gespeist werden diese einzelnen Bauelemente G des Schaltkreises B über die Speiseleitungen H und L (diese Speisung ist der Einfachheit halber nur für das Element G 1 dargestellt, bei den anderen Elementen jedoch weggelassen).

In die Speiseleitung H ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Stromindikator J pingeschaltet, im einfachsten Fall ein Widerstand R. Der Schaltkreis B besitzt bei dem dargestellten Aufbau in CMOS-Technik die Eigenschaft, daß im Normalbetrieb praktisch kein Betriebsstrom fließt. Die verwendeten CMOS-Bauelemente G besitzen nämlich die an sich bekannte vorteilhafte Eigenschaft, daß sie in den einzelnen Schaltzuständen praktisch keinen Strom verbrauchen, solange sie fehlerfrei arbeiten. Tritt nämlich beispielsweise am Funktionseingang £1 des CMOS-Bauelements G 1 Η-Potential auf, so wird das Halbleiterelement N leitend und das Halbleiterelement P gesperrt und am Funktionsausgang A 1 tritt L-Potential auf, ohne fao daß hierdurch ein merklicher Stromfluß zwischen Hund L auftritt. Nur wenn ein Fehler im Bauelement auftritt, wird von diesem Strom verbraucht was über den dem zu überwachenden Schaltkreis zugeordneten Stromindikator / festgestellt werden kann. In dem gezeigten 6> Ausführungsbeispiel tritt beispielsweise bei einem fehlerhaften Bauelement G durch den dann fließenden erhöhten Betriebsstrom in der Leitung H ein Spannungsabfall am Widerstand R auf, der über den Anschluß X als Fehlersignal festgestellt und weiterverarbeitet werden kann. Selbstverständlich kann dieser Stromindikator / auch in der unteren Speiseleitung L angeordnet werden oder bei Bedarf können sogar in beiden Leitungen H und L entsprechende Stromindikatoren vorgesehen werden. Zur Unterdrückung von Stromspitzen während des Schaltvorganges im Schaltkreis S kann noch der Kondensator C vorgesehen sein. An Stelle des dargestellten Widerstandes R kann beispielsweise auch ein Hallgenerator oder ein anderes entsprechendes bekanntes Bauelement verwendet werden, so daß das Fehlersignal am Ausgang λ'gegebenenfalls auch galvanisch getrennt von der übrigen Schaltung abgegriffen werden kann.

Wenn mehrere aus einer gemeinsamen Speisespannungsquelle über die Speiseleitungen Wund /.gespeiste Schaltungskreise B parallel geschaltet sind, kann es je nach Aufbau dieser Schaltkreise möglich sein, daß über den bei Auftreten eines Fehlers in einem der Schaltkreise entstehenden Spannungsabfall am Siromindikator der eine oder andere der parallelliegenden anderen Schaltkreise so beeinflußt wird, daß auch an diesem ein Fehier durch entsprechenden Stromverbrauch simuliert wird. Um dies zu vermeiden, besitzt der Stromindikator / vorzugsweise eine derartig nichtlineare Kennlinie, daß der Spannungsabfall am Indikator begrenzt wird. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist z. B. einfach parallel zum Widerstand R eine Diode D geschaltet, so daß der Spannungsabfall am Widerstand auf den Wert der Diodenrestspannung begrenzt wird.

Mit der Schaltung nach F i g. 1 können die wichtigsten Funktionen des Schaltkreises B überwacht werden. Es sind jedoch auch Fehler denkbar, die keine entsprechende Stromerhöhung zur Folge haben. Wenn beispielsweise die Ausgangsleitung A 2 des Elements G 2 an der Stelle Y unterbrochen wird, kann dies nicht durch eine Stromerhöhung in der Speiseleitung H—L festgestellt werden.

Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, daß diesem Ausgang A 2 des Bauelements G 2 der Eingang £3 eines zusätzlichen Bauelements G 3 zugeordnet wird, das seinerseits natürlich wieder aus den Speiseleitungen H-L gespeist und somit auch über den Stromindikator / überwacht wird. Wenn nunmehr bei dem so ergänzten Schaltkreis B wieder eine Unterbrechung an der Stelle Y auftritt, ist der Eingang £3 des Elements G 3 unbeschaltet und die beiden Halbleiterelemente N und Pdieses zusätzlichen CMOS-Bauelements G 3 werden leitend. Der erhöhte Stromverbrauch wird wieder als Fehler am Ausgang X angezeigt. Der Ausgang A 3 dieses zusätzlichen Überwachungs-Bauelements G3 kann unbeschaltet d.h. funktionslos bleiben, im allgemeinen wird bei solchen Schaltkreisen B jedoch sich immer irgendeine Verbindung eines Funktionsausganges eines Bauelementes mit dem Funktionseingang eines anderen entsprechenden Bauelementes anbieten, so daß diese optimale Überwachung für alle denkbaren Fehlermöglichkeiten eines Schaltkreises meist sehr einfach realisiert werden kann.

Die Auswertung des am Ausgang X auftretenden Fehlersignals kann auf die verschiedenartigste Weise erfolgen. Im einfachsten Fall ist jedem Ausgang X jedes einzelnen Schaltkreises ein entsprechender Anzeigeverstärker mit Anzeigerichtung zugeordnet. Damit können auch kurzzeitige Fehlerzustände von Schaltkreisen ständig überwacht werden. Der Schaltungsaufwand für die Überwachung kann jedoch auch dadurch weiter

herabgesetzt werden, daß eine Art Zeitmultiplex-Überwachung vorgenommen wird, bei der nacheinander die verschiedenen Ausgänge X verschiedener Schaltkreise B abgefragt und über einen gemeinsamen Anzeigenverstärker mit Anzeigevorrichtung ausgewertet werden. Durch geeignete Wahl der Abfragefrequenz ist dabei sicherzustellen, daß auch kurzzeitige Fehlerzustände der einzelnen Schaltkreise sicher erfaßt werden.

Eine erfindungsgemäße Funktiunsüberwachiingsanordnung ermöglicht auch den Aufbau einfacher redundanter Schaltungssysteme mit nur zwei Systemzweigen, wie dies schematisch in F i g. 2 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt zwei gleichartige mit komplementären MOS-Bauelementen aufgebaute und gemäß der Erfindung funklionsüberwachte Schaltkreise Fund F', die in dem gezeigten Ausführungsbeispicl insgesamt drei verschiedene Funktionsausgänge AX, A 2 und /4 3 besitzen. Um sicherzustellen, daß immer nur ein fehlerfreier Schaltkreis Fbzw. F'mit seinen Ausgängen A 1, A 2 und A 3 mit einem weiteren Schaltkreis verbunden ist, ist die zusätzliche Umschalteinrichtung 5 vorgesehen, die ihrerseits im Sinne des Ausführungsbeispiels doppelt vorhanden ist. Die verstärkten Fehlerausgangssignale an den Ausgängen X und X' steuern eine Flip-Flop-Schaltung 7, 8 in der Umschalten.richtung 5 bzw. S' durch die entsprechende Gatter 1, 2, 3 in den Übertragungsleitungen der Ausgänge AX, A 2 und A 3 des ersten Schaltkreises F bzw. Gatter 4, 5, 6 in den entsprechenden Ausgangsleitungen AX', A 2' und A 3' des zweiten Schaltkreises F'gesteuert werden. Arbeiten die beiden Schaltkreise Fund F'einwandfrei, so liegen beide Ausgänge X und X' auf hohem Potential und die beiden Flip-Flops 7, 8 bzw. 7', 8' schalten willkürlich die

^r) drei Ausgänge A 1, A 2 und A 3 bzw. A Γ, A 2' und A 3' über die zugeordneten Gatter 1 bis 6 an die entsprechenden Ausgänge 9 bis 11 der Umschalteinrichtung S bzw. über 1' bis 6' an 12 bis 14 der Umschalteinrichtung 5'. Ist jedoch einer, beispielsweise

ι« der Schaltkreis F defekt, werden die Flip-Flops 7, 8 und T, 8' so gesetzt, daß nur die Ausgänge A Γ bis A 3' des einwandfrei arbeitenden Schaltkreises F'durchgeschaltet werden.
Im einfachsten Fall genügt selbstverständlich auch nur eine einzige Umschalteinrichtung 5. Nur wenn auch eine entsprechende Sicherheit für ein einwandfreies Durchschalten gefordert wird, ist die doppelte Ausführung dieser Umschalteinrichtung erforderlich. Die Umschalteinrichtungen S und S' werden ihrerseits vorzugsweise aus CMOS-Bauelementen aufgebaut, so daß mittels diesen Umschalteinrichtungen S bzw. 5' zugeordneten erfindungsgemäßen Funktionsüberwachungsanordnungen über entsprechende Ausgänge X" und X'" deren richtiges Funktionieren überwacht

:■> werden kann. Die Umschalteinrichtung Sund S'können auch jeweils Bestandteil eines nachfolgenden überwachten Schaltkreises sein. An Stelle der Flip-Flops können auch entsprechende Differenzverstärker oder andere Umschaltelemente verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Funktionsüberwachung eines aus mehreren Halbleiter-Bauelementen aufgebauten digitalen Schaltkreises, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung (H, L) eines ausschließlich komplementäre MOS-Bauelemente enthaltenden Schaltkreises (B, F, F') ein Stromindikator f/) angeordnet ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Funktionsausgang (ζ. B. A 2) jedes Bauelementes (G) des zu überwachenden Schaltkreises (B, F, F') mit dem Funktionseingang (z. B. £ 3) eines anderen Bauelementes (G 3) des Schaltkreises verbunden ist

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß als Stromindikator (J) ein in die Speiseleitung (H, L) geschalteter Widerstand (R) dient

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromindikator (J) mit nichtlinearer Kennlinie verwendet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromindikator (J) ein in die Speiseleitung (H, Zugeschalteter Widerstand (R)mit parallelgeschalteter Diode (D)dienl.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stromindikator (J) mit einem eigenen Überwachungsverstärker verbunden ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Stromindikatoren (J) mehrerer überwachter Schaltkreise über eine Umschalteinrichtung mit einem gemeinsamen Überwachungsverstärker verbindbar sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Zusammenschaltung von mindestens zwei gleichartige«! überwachten Schaltkreisen (F, F') über eine Umschalteinrichtung (S, S'), deren Stromindikatoren (J; Ausgänge X, X') derart mit dieser Umschalteinrichtung ('S, S'^ verbunden sind, daß bei Feststellung eines fehlerhaften Schaltkreises (z. B. F) an dessen Stelle selbsttätig ein anderer gleichartiger fehlerfreier Schaltkreis (z. B. F',)zugeschaltet wird.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (S, S') ihrerseits als funktionsüberwachter Schaltkreis aufgebaut ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei parallelgeschaltete Umschalteinrichtungen (S, S') vorgesehen sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtungen (S, S') jeweils Bestandteil eines darauffolgenden anzusteuernden und seinerseits überwachten Schaltkreises sind.