DE2835388C2 - Analog-Multiplexschaltung - Google Patents

Description

— eine Eingangsklemme (INi, IN₂. ... /JVt) zum Empfang elektrischer Signale,

— einen ersten Transistor (11, 13 ... 15), welcher mi! der Eingangsklemme (INi. IN₂... bzw. /JV₄), einem Schaltungspunkt (71, 73 .. bzw. 75) und der zweiten Verbindungsleitung (163) verbunden ist,

— und einen zweiten Transistor (12, 14 ... 16). welcher mit dem Schaltungspunkt (71, 73 ... bzw. 75) und der ersten Verbindungsleilung (161) verbunden ist,

und daß Stromzuführungen (A, B... C)/ur Lieferung von elektrischem Snom zu den Schaltiingspunkten (71,73. .bzw.75) vorhanden sind, sowie Schalteinrichtungen (33, 34 ... 35) zwischen den Schaltungspunkten (71, 73 ... bzw. 75) und Erde, die so gesteuert sind, daß alle Schalleinrichtungen (33, 34 ... 35) der Eingangszellen (1, 2 ... bzw. k) außer einer jeweils geschlossenen sind, so daß die elektrischen Signale, welche zu der Eingangsklcmme (IN. IN₂... INk) der Zelle (1,2... bzw. k)m\l offener Schalteinrichtung geliefert werden, zu der Ausgangsklemme (E) gelangen können, welche mit der ersten Verbindjngsleitung (161) verbunden ist.

2. Multiplexschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen PotentialausgCeicher, welcher ■ bewirkt, daß das Potential der Ausgangsklemme (E) gleich dem Potential der elektrischen Signale ist, welche zu einer von mehreren Eingangsklemmen (IN, IN₂ ... INk) während gewählter Perioden zugeführt werden.

3. Multiplexschaltung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (33,34 ... 35) Transistoren sind.

4. Multiplexschaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Potentialausglei- ^: eher, welcher dafür sorgt, daß das Potential der Ausgangsklemme (E) gleich dem Potential des elektrischen Signals ist, welches der Eingangsklem me (INi, IN₂ ... INk) zugeführt wird, einen Stromspiegel (17,18) enthält.

5. Multiplexschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel einen dritten Transistor (17) enthält, welcher mit der zweiten Verbindungsleitung (163) verbunden ist, und einen vierten Transistor (18), welcher zwischen dem dritten Transistor (17) und der ersten Verbindungsleitung (161) liegt.

6. Multiplexschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite, der dritte und der vierte Transistor Bipolartransistoren sind.

7. Multiplexschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor und die Basis des dritten Transistors (17) mit der zweiten Verbin-

dungsleitung (163) und der Basis des vierten Transistors (18) verbunden sind, daß der Kollektor des vierten Transistors (18) mit der ersten Verbindungsleitung (161) verbunden ist, und daß die Emitter des dritten (17) und des vierten (18) Transistors mit Erde verbunden sind.

8. Multiplexschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dit Basis des ersten Transistors (11, 13 ... 15) mit der Eingangsklemme, der Emitter des ersten Transistors mit dem Schaltungspunkt (71, 73 ... bzw. 75) und der Kollektor des ersten Transistors mit der zweiten Verbindungsleitung (163) verbunden sind und daß der Emitter des zweiten Transistors (12, 14 ... 16) mit dem Schallungspunkt (71, 73 ... bzw. 75) und die Basis und der Kollektor des zweiten Transistors mit der ersten Verbindungsleitung(161) verbunden sind.

9. Multiplexschaltung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Basis eines Ausgleichstransistors (50, 51 ... 52) mit der Eingangsklemme (IN₁. IN₂ ... INk), der Emitter des Ausgleichstransislors mit der Basis des ersten Transistors (11, 13 ... 15) und der Kollektor des Ausgleichstransistors mit Erde verbunden sind.

10. Multiplexschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (E) mit einem fünften Transistor (19) verbunden ist. ein sechster Transistor (29) mit dem fünften Transistor (19) verbunden ist, ein Kondensator (32) mit dem sechsten Transistor (29) verbunden ist. und eine zweite Ausgangskiemme (D) mit dem sechsten Transistor (29) verbunden ist.

11. Muitiplexschaltung nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsklemme (e) mit der Basis des fünften Transistors (19) verbunden ist. der Emitter des sechsten Transistors (29) mit dem Emitter des fünften Transistors (19) verbunden ist, der Kondensator (32) mit dem Kollektor des sechsten Transistors (29) verbunden ist, und die zweite Ausgangsklemme (D) mit der Basis des sechsten Transistors (29) verbunden ist.

'2. Multiplexschaltung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor eines siebten Transistors (20) mit den Emittern des fünften (19) und des sechsten (29) Transistors verbunden ist. der Emitter des siebenten Transistors (20) mit einer Stromquelle verbunden ist, und die Basis des siebenten Transistors (20) über einen Sägezahnschalter mit einer Stromquelle verbunden ist.

13. Multiplexschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor des fünften Transistors (19) mit dem Kollektor eines achten Transistors (24) verbunden ist, der Kollektor des sechsten Transistors (29) mit dem Kollektor einen neunten Transistors (30) verbunden ist. die Basen des achten (24) und des neunten (30) Transistors miteinander verbunden sind, und die Emitter des achten (24) und des neunten (30) Transistors mit Erde verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich auf Analog-Multiplexschaltungen, und sie bezieht sich insbesondere auf eine Multiplexschaltung, in der ein Eingangssignal aus mehreren Eingangsbereichen gewählt und als Ausgangssignal der Schaltung geliefert wird, mit einer

ersten Verbindungsleitung, einer zweiten Verbindungsleitung, mehreren als »Eingangszellen« bezeichneten Eingangskreisen und einer an die erste Verbindungsleitung angeschlossenen Eingangsklemme.

Multiplexschaltungen sind nach dem Stande der Technik bekannt; sie sind im allgemeinen entweder als Zeitmultiplexschaltungen oder als Frcquenzmultiplexschaltungen ausgebildet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zeitmultiplexschaltung, die zur periodischen Abtastung der Eingangssignale dient, welche an eine Reihe von Eingangsklemmen eines Mehrfachkopplers geliefert werden. Zeitmultiplexschaltungen benutzen das Prinzip der Zeitverteilung unter den verschiedenen Meßkanälen. Abtastschaltungen und Haltestromkreise werden immer dann benutzt, wenn es erwünscht ist, eine Messung eines Signals vorzunehmen und genau zu wissen, wann das Eingangssignal dem Ergebnis der Messung entspricht. Abtastschaltungen und Haltestromkreise leisien auch nützliche Dienste bei der Erhöhung der Dauer eines Signais, welches gemessen oder in anderer Weise verarbeitet wird.

Die meisten bekannten Multiplexschaltungen sind Sirommultiplexschaltungen, bei welchen der gewählte Eingang mit der gemeinsamen Ausgangsleitung über eine niedrige Impedanz verbunden ist, im Regelfall einen ohmschen Widerstand in der Größenordnung von 1 bis 1000 Ohm. Bei diesen Multiplexschaltungen ist eine niedrige Impedanz erwünscht, weil sie ein schnelleres Laden der Ausgangsbelastungsschaltung erlaubt und gegenüber der Ausgangsbelastung eine niedrigere Nettoimpedanz darstellt.

Durch DE-AS 19 47 100, DE-AS 20 45 833 und CH-PS 5 04 819 sind Multiplexschaltungen bekanntgeworden, die den eingangs beschriebenen Anforderungen entsprechen. Sie haben jedoch den Nachteil, daß die Eingangsklemmen stets getrennt sind, außer wenn ein einzelner Eingang gewählt wird. Der Wählprozeß ändert unvermeidbar die Belastung auf dem jeweiligen Kanal, und er kann Einschwingsignale einführen, welche das an der Eingangsklemme gelieferte Signal verzerren.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Multiplexschaltungen ist, daß Wechselstrom oder Gleichstrom von nicht gewählten Kanälen zu den gewählten Kanälen gelangen kann. Diese Erscheinung führt zu unerwünschten Fehlern und Störungen in dem Ausgangssignal, insbesondere wenn es mit hoher Impedanz belastet ist. Ein weiterer Nachteil bekannter Schaltungen tritt auf, wenn ein nicht gewähltes Eingangssignal eine bestimmte Größenordnung überschreitet, insbesondere wenn das Signal die Leistung überschreitet, welche der Muliiplexschaltung zugeführt wird. Dieser Zustand kann dazu führen,daß nicht gewählte Eingangsklemmen mit dem einzelnen Ausgang und mit der gewählten Eingangsklemme verbunden werden, so daß Fehler, Störungen oder andere unerwünschte Effekte auftreten.

Die veränderlichen Belastungszustände, durch die Störsignale, Einschwingvorgänge o. dgl. erzeugt werden, die zu einer Verzerrung der an den Eingangsklemmen gelieferten Signale führen, und die Gefahr, daß eine nicht gewählte Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme gekoppelt werden kann, erforderten neue Lösungen, durch die diese Nachteile behoben werden können.

Der Erfindung ist daher die Aufgabe zugrunde gelegt, unier Vermeidung der den bisherigen Multiplexschaltungen anhaftenden Nachteile eine Muliiplexschaltung zu schaffen, die betriebssicherer und störungssicherer ist als die bisher bekannten Schaltungen, und zwar insbesondere hinsichtlich des Auftretens unerwünschter Störungen in dem Ausgangssignal und des Auftretens von Fehlschaltungen.

Die Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung enthält mehrere ais »Zellen« bezeichnete Eingangskreise, von denen jeder so geschaltet ist, daß er ein Signal von einer einzelnen Analog-Eingangsklemme empfängt. Jede Zelle enthält ein Transistorpaar und eine Schalteinrichtung. Die Basis eines der Transistoren ist derart geschaltet, daß sie die Eingangssignal aufnimmt,

IU und der Strom, welcher durch das Transistorpaar fließt, wird zu einem Stromspiegel gelenkt, welcher allen Zellen gemeinsam ist. Der Stromspiegel ermöglicht, daß der Ausgang der Multiplexschaltung das Potential annimmt, welches an den Eingang der gewählten Zelle

'5 angelegt ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Eingangsstufe geschaffen, welche gegenüber der mit der Multiplexschaltung verbundenen Eingänge eine konstante Belastung darbietet. Eine Zwischenstufe der Eingangsstufe und der Ausgangsstufe ist so geschaltet, daß der Eingang gegenüber Schallvorgängen. Störsignalen o. dgl. wirksam isoliert ist. Nicht gewählte Eingänge werden durch den Schaltkreis mit Erde verbunden, so daß diese nicht gewählten Einganssignale sich nicht auf das Ausgangssignal auswirken.

Die Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung enthält auch einen Abtast- und Sägezahnverstärker. Der Sägezahnverstärker ist ein schaltbarer Spannungsfolger, welcher sich während der Abtastperioden in

w Aktivität befindet, um die Spannung auf dem Kondensator gleich der Eingangsspannung zu machen.

Die Multiplexschaltung puffert jede Eingangsklemme derart, daß jede Klemme einer konstanten Belastung ausgesetzt ist, und zwar isoliert von der Belastung benachbarter Klemmen oder Kanäle. Auch wird durch die Erfindung die Signalführung reduziert, indem zwei Isolationspegel verwendet werden und ein Zwischenpunkt in den Signalweg der nicht gewählten Kanäle zur Erde eingeschaltet wird, so daß irgendwelche Einwirke kungen von Signalen, welche auf nicht gewählten Eingangsklemmen vorhanden sind, eliminiert werden. Die Multiplexschaltung erlaubt, daß Signale auf nicht gewählte Eingangsklemmen die Spannung der verwendeten Stromquelle übersteigen, wobei diese Spannungen der nicht gewählten Eingangsklemmen nur durch den Durchbruch des Eingangstransistors begrenzt werden. Wenn ein Eingangssignal die negative Stromquelle übersteigt, wird das Signal blockiert. Daher werden Signale an einer nicht gewählten Eingangklemme keine nachteilige Wirkung auf das Ausgangssignal ausüben, und sie werden nicht rückgekoppelt zu irgendwelchen Eingangsklemmen oder anderen Teilen der Schaltung.

Hinsichtlich weiterer Merkmale der Erfindung wird auf die Ansprüche Bezug genommen.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild von drei Zellen einer bevorzugten Ausführungsform einer Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung mit einem Stromspiegel.

Fig. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Abtast- und Sägezahnverstärkerschaltung der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfin-

^h dung.

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, welches ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Analog-Multipiexschaltung gemäß der Erfindung im Zusammenwirken

mit einem Mikroprozessor zum Abfühlen mehrerer Eingänge und zur Steuerung mehrerer Einrichtungen in Abhängigkeit von der abgefiihlien Information darstellt. Kin Teil der schematischen Darstellung eines Aiisführungsbeispiels der Analog-Miiltiplexschaluing > gemäß der Erfindung ist in F i g. I enthalten. Obgleich nur drei Zellen der Analog-Multiplexschaluing gemäß der Erfindung dargestellt sind, kann jede beliebige Zahl k von Zellen vorhanden sein, wobei k eine ganze Zahl ist. Die Zahl k der zu benutzenden Zellen hängt ab von w dem jeweiligen Anwendungsfall der Analog-Multiplexschultung. |ede Zelle, beispielsweise Zelle 1, besitzt eine Eingangsklenime IN₁, zwei Multiplexiransistoren 11 und 12, eine Stromquelle, beispielsweise Transistor 40, und ein Schaltelement, beispielsweise Transistor 33. Eine < Stromquelle liegt auch an Schaliungspunki A, und bei bestimmten Ausführungsformen kann auch eine Ausgleichsspannungsquclle, beispielsweise Transistor 50, in der Schaltung vorhanden sein.

Im Betrieb werden nach Eingang von Signalen aus -'< > einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Mikroprozessor oder einem Steuerschalter oder anderen geeigneten Einrichtungen alle Schalter 33, 34, 35 in der Reihe von k Zellen geschlossen, außer demjenigen Schalter, welcher dem gewählten Eingang entspricht, :~> und dieser wird geöffnet sein. Es sei beispielsweise angenommen, daß aufgrund von Signalen, welche von einem Mikrcpiozessor eingehen, die Eingangsklemme INi gewählt worden ist als Eingang, welcher zu einer Schaltung außerhalb der Multiplcxschaltung geliefert i<> werden soll, beispielsweise einem Analog-Digital-Umsetzer. Schalter 34 wird daher durch den Steuerschalter geöffnet und erlaubt, daß das Eingangssignal bei Klemme IN₂ in der nachstehend beschriebenen Weise zur Klemme ^geliefert wird. r>

Bei allen nicht gewählten Zellen, also denjenigen Zellen, deren Eingangssignale nicht bei Klemme E auftreten sollen, v/erden die entsprechenden Schalter 33 und 35 geschlossen, und dadurch wird bewirkt, daß der bei den Schaltungspunkten A und C gelieferte Strom κι direkt zur Erde abfließt. Bei diesen nicht gewählten Zellen wird daher kein Strom durch die Transistoren 11, 12,15 und 16 fließen.

Bei der gewählten Zelle, bei dem vorliegenden Beispiel Zelle 2, wird Strom, welcher von Klemme B -n zufließt, zu gleichen Teilen aufgeteilt zwischen Transistor 13 und Transistor 14. Der Strom durch die Transistoren 13 und 14 wird wiederum zu dem aus Transistoren 17 und 18 bestehenden gemeinsamen Stromspiegel gelenkt, so daß die Ausgangsklemme E > <> das bei Klemme IN2 gelieferte Eingangspotentiai annehmen kann.

Bei einigen Ausführungsformen wird das bei Schaltungspunkt £ erscheinende Ausgangssignal unmittelbar zu anderen Schaltungen geliefert, welche mit diesem ^ Ausgangssignal in gewünschter und geeigneter Weise arbeiten. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist jedoch gefordert, dieses Ausgangssignal unmittelbar mit zusätzlichen Schaltungen der Multiplexschaltung zu koppeln, wie es beispielsweise F i g. 2 zeigt. F i g. 2 ist <·■" eine schematische Darstellung der Abtasl- und Sägezahnverstärkerschaltungen der Analog-Multiplexschaltung.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung arbeitet in folgender Weise: Die Ausgangsklemme £der Schaltung ^r'■ gemäß Fig.! ist gekoppelt mit der Eingangsklemme E der F i g. 2. Schalter 22 ist normalerweise geöffnet, und es wird daher Strom zu Schaltungspunkt G geliefert.

Wenn das Eingangssignal bei Klemme /: in F ig. 2 erscheint, wird Transistor 19 weniger leitfähig, während Transistor 29 eine höhere Leitfähigkeit erhält. Hierdurch wird das Potential am .Schaltungspunkt D veranlaßt, sich dein Potential des Schaltuiigspunkis /: /11 nähern. Wenn sich das Potential am .Schaltungspunkt D dem Potential am Schaltiiiigspunki /: nähert, wird von V, (ausgehender SI rom. welcher zu den Transistoren 19 und 29 gelangt, derart ausgeglichen werden, daß gleiche Slrombeträge von Schaltungspunkt G zirn Transistor 29 und vom Schaltungspunkt G zum Transistor 19 fließen. In bekannter Weise wird dies durch Transistoren 23, 24, 28 und 30 erreicht, welche ähnlich wie die Transistoren 17 und 18 (Fig. 1) als Stronispiegcl arbeiten.

Wenn die Potentiale an den Schaliungspunkicn " und Egleich sind, kann Schaltungspunkt £vom Schaltungspunkt D durch Schließen des Schalters 22 getrennt werden. Hierdurch werden Transistoren 20 und 21 zur Ausschaltung veranlaßt, und dies führt zum Ausschalten der Transistoren 19 und 20. Transistoren 26 und 27 werden gesättigt, und hierdurch wird bewirkt, daß Schaltungspunkte Il und / ihr Potential sehr nah dem Erdpotential annähern. Transistoren 24 und 30 werden auch abgeschaltet. Das Potential am Schaltungspunkt E kann dann geändert werden, ohne daß das Potential am Schaltungspunkt Dbeeinflußt wird.

Bei einigen Ausführungsformen der Multiplexschaltung sind Transistoren 25 und 31 vorgesehen, um ein Sägezahnsignai zu erzeugen. Transistor 31 bewirkt, daß das Potential des Schaltungspunkt D linear abfällt, abhängig von der Kapazität eines Kondensators 32 und dem Stromfluß durch Transistor 31. Transistor 25 sorgt dafür, daß bei den Transistoren 19 und 29 gleiche Ströme fließen, wenn die Potentiale der Schaltungspunkte Dund £gleich sind. Da das Sägezahnsignal eine Zeitumsetzung bewirkt, welche dem Potential am Schaltungspunkt fc'äquivalcnt ist, kann das Sägezahnsignal in digitalen Schaltungen von Nutzen sein, welche mit der in F i g. 2 dargestellten Schaltung verbunden sind. Im Regelfall wird das Sägezahnsignal einem Vergleicher (Komparator) 60 zugeführt. Der Vergleicher 60 vergleicht das Sägezahnsignal an Klemme 64 mit dem bei Klemme 53 vorhandenen Signal.

Die Zeit, welche die Sägezahnspannung benötigt, um auf die Vergleichsspannung abzunehmen, also das Potential an Klemme 63. wird proportional der Differenz zwischen dem Potential des gewählten Eingangs und der Vergleichsspannung sein. Diese Zeit kann in einer Schaltung, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, gemessen werden, um ein digitales Äquivalent der Eingangsspannung zu erhalten.

Bei weiteren Ausführungsformen der Analog-Multiplexschaltung gemäß der Erfindung wird eine Ausgleichsspannung an den Vergleicher durch Transistor 54 angelegt und angelegt an die Eingangsklemmen /Ni, /N₂, INk der in Fig. 1 dargestellten Multiplexschaltung, um den Dynamikbereich der Analog-Multiplexschaltung zu vergrößern.

Transistoren 50,51 und 52 halten die Schaltungspunkte A, Bund C wenigstens zwei Vbe über Erdpotential, und sie verhindern dadurch die Sättigung der Transistoren 11, 12, 13, 14, 15 und 16. Transistor 54 stellt eine Kompensationsverschiebung für Vergleicher 60 zur Verfügung und ermöglicht, daß Transistor 31 in einem linearen Bereich arbeitet.

F i g. 3 zeigt im Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel für eine Anwendung der Analog-Multiplexschal-

lung gemäß der Krfindurig. und /war im Zusammenwirken mit einem Mikroprozessor/um Abtasten mehrerer Eingänge und /um Steuern mehrerer Einrichtungen in Abhängigkeit von der ausgasandten Information. Wie in Kig. 3 dargestellt ist. ist Analog-Muliiplexsehaltung 82 derart geschaltet, daß sie ein Anzahl von Hingangssigna· len auf Leitungen ;;... η empfängt. Im Regelfall wird der Eingang repräsentativ sein für das Verhalten eines bestimmten Systems. Das System kann wiederum durch eine Gruppe von Einrichtungen gesteuert werden, beispielsweise Einrichtungen 90, 9t, 92, 93, 94 und 95. Der Ausgang aus der Multiplexschaltung 82 gelangt /ti einem Analog-Digital-Umsetzer 86, welcher seinerseits die Information zu einem Mikroprozessor 80 weitergibt. In Abhängigkeit von den Eingangssignalen aus dem Analog-Digital-Umsetzer 86 wird Mikroprozessor 80 die Einrichtungen 90 bis 95 regeln oder steuern, und er wird steuern, welcher der Eingänge der Mulliplexschallung 82 dem Analog-Digital-Umsetzer 86 zugeführt wird. Der Mikroprozessor 80 wird im Regelfall programmiert sein mit Informationen, welche repräsentativ sind für die Abhängigkeit zwischen dem zur Multiplexschaltung 82 gelieferten Hingangssignal und dem zu den gesteuerten Einrichtungen 90 bis 95 gelieferten Ausgangssignal. Wenn beispielsweise eines der Eingangssignale zur Multiplexschaltung 82 eine Temperaturinformation ist, so wird Mikroprozessor 80 derart programmiert sein, daß er in der gewünschten Weise Temperaturen steuert, indem er geeignete Signale zu einer der Steuereinrichtungen 90 bis 95 liefert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Multiplexschaltung, in der ein Eingangssignal aus mehreren Eingangssignalen gewählt und als Ausgangssignal der Schaltung geliefert wird, mit einer ersten Verbindungsleitung (161), einer zweiten Verbindungsleitung (163). mehreren Eingangszellen (1,2... Jt^und einer an die erste Verbindungsleitung (161) angeschlossenen Eingangsklemme (/JV,, IN₂... INk), dadurch gekennzeichnet, daß jede der Eingangszellen (1, 2 ... k) folgende Schaltungsbestandieile aufweist: