DE19547116A1 - Reset-Schaltung mit variabler Zeitverzögerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Reset-Schaltung zur Erzeugung eines zuverlässigen Reset-Signals.

Eine automatische Reset-Schaltung wird benutzt, um eine Schaltung, welche bei­ spielsweise einen Mikroprozessor beinhaltet, nach einer Stromunterbrechung wieder zu starten. Derartige Reset-Schaltungen funktionieren in vielen Fällen nicht zu­ verlässig, insbesondere wenn viele kurzzeitige Stromunterbrechungen innerhalb einer kurzen Zeitdauer vorliegen oder wenn die Spannung aus einer Spannungsversorgung nur geringfügig unter den unteren Grenzwert der Betriebsspannung abfällt, welche der Mikroprozessor benötigt.

In derartigen Fällen tritt eine Datenverstümmelung und ein unzuverlässiger Reset- Vorgang auf, wobei sich das System auch in einer Endlosschleife ,,aufhängen" kann.

Bei Versuchen, die genannten Probleme zu vermeiden, wurden Schaltungen ent­ wickelt, welche Freigab-Eingänge von Schreib-Lesespeichern (RAMs), wie sie in mikroprozessorbasierten Schaltungen verwendet werden, blockieren, nachdem die Betriebsspannung einen Wert (z. B. 4,7 Volt) geringfügig oberhalb des Grenzwerts (z. B. 4,5 Volt) der Betriebsspannung (5,0 Volt) erreicht hat. Diese Schaltungen zie­ hen Strom aus einer für den Speicher-Backup gedachten Batterie, was die Lebens­ dauer dieser Batterie verkürzt. Einige Schaltungen erzeugen einen Reset-Impuls, nachdem die Betriebsspannung wieder hergestellt wurde. Keine dieser Schaltun­ gen ermöglicht die zuverlässige Erzeugung eines Reset-Impulses, welcher beginnt unmittelbar nachdem die Betriebsspannung abgefallen ist und endet nachdem die Betriebsspannung zuverlässig wieder hergestellt ist.

Es besteht somit die Aufgabe, eine Reset-Schaltung so weiterzubilden, daß ohne Belastung externer Batterien zuverlässige Reset-Impulse bei definierten Spannungen erzeugt werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung; und

Fig. 3A und 3B zeitliche Signalverläufe nach dem Stand der Technik bzw. der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist dargestellt eine Schaltung 1 zur Detektion eines Spannungsabfalls von einer Spannungsquelle V, welche Schaltung mit einer Reset-Freigabeschaltung 3 verbunden ist. Die Freigabeschaltung 3 ist über eine Verzögerungsschaltung 4 mit einem Reset-Impulsgenerator 5 verbunden, welcher an seinem Ausgang einen Reset-Impuls erzeugt.

Die Schaltung 1 zur Detektion eines Spannungsabfalls detektiert einen sehr geringen Spannungsabfall gegenüber einer Nennspannung der Spannungsquelle, z. B. im Be­ reich der grenzwertigen Leitspannung eines Bipolartransistors und bewirkt unmittel­ bar den Betrieb der Reset-Freigabeschaltung 3, welche den Reset-Impulsgenerator 5 zur Ausgabe eines Reset-Impulses veranlaßt. Der Beginn des Reset-Impulses wird von einer zu schützenden Schaltung detektiert, welche heruntergefahren wird.

Wenn der Wert der Spannungsquelle bei dem Reset-Impulsgenerator auf einen Wert unterhalb eines vorbestimmten Grenzwertes (GRENZE in Fig. 1) abfällt, kann diese den Reset-Impuls nach der Freigabe ohne die Freigabeschaltung halten.

Wenn die Spannung der Spannungsquelle wieder hergestellt ist, kann die Freigabe­ schaltung darin verzögert werden, den Reset-Impulsgenerator zur Beendigung der Reset-Impulse zu veranlassen, bis jegliche Gefahr multipler Ausfälle oder Span­ nungsschwankungen beseitigt ist. Die entsprechende Zeitkonstante kann variabel sein. Die Beendigung des Reset-Impulses ermöglicht es der zu schützenden Schal­ tung, zurückgesetzt zu werden.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Schaltung zur Detektion des Spannungsabfalls beinhaltet einen bipolaren Tran­ sistor 10 (PNP-Typ in der dargestellten Ausführungsform), dessen Emitter mit der zu überwachenden Spannungsquelle, im Beispiel +5VDC, verbunden ist. Ein Kon­ densator 12 in Reihe mit einem Widerstand 14 ist zwischen die Basis des Transistors 10 und Erde geschaltet. Ein Vorschaltwiderstand 16 ist ebenfalls zwischen die Basis des Transistors 10 und Erde geschaltet.

Der Kollektor des Transistors 10 ist typischerweise an eine externe Schaltung ange­ schlossen, beispielsweise eine digitale Logikschaltung und einen Speicher-Backup in einer Batterieschaltung für einen Strom-Aus-Zustand.

Während des Betriebs ist die Emitter-Basis-Schaltung des Transistors 10 stromlei­ tend und der Kondensator 12 wird durch den Widerstand 14 aufgeladen. Nach der Aufladung des Kondensators 12 bildet die Basis des Transistors 10 einen Grenzwert der Betriebsspannung unterhalb des Emitters.

Die Zeitkonstante von Kondensator 12 und Widerstand 14 sollte sehr gering sein, z. B. im Bereich von Mikrosekunden liegen. Der Wert des Widerstands 16 sollte wesentlich größer sein als derjenige des Widerstands 14, z. B. 100 kOhm.

Die Freigabeschaltung weist vorzugsweise einen zweiten PNP-Transistor 18 auf. Dessen Kollektor liegt auf Erde und sein Emitter ist über einen Widerstand 20 in Reihe mit einem Kondensator 22 auf Erde geschaltet. Die Zeitkonstante des Widerstands 20 und des Kondensators 22 sollte ebenfalls sehr gering sein und im Bereich von Mikrosekunden liegen.

Die Verbindung zwischen Kondensator 22 und Widerstand 20 liegt über einen hohen Widerstand 24 (z. B. 620 kOhm) an der Spannungsquelle +5VDC. Der Widerstand 24 kann als variabler Widerstand ausgebildet sein.

Die Basis des Transistors 18 ist über einen Widerstand 26 mit dem Kollektor des Transistors 10 verbunden, welcher über den Widerstand 28 auf Erde gelegt ist.

Der Reset-Impulsgenerator besteht aus einem Operationsverstärker 30, dessen nicht­ invertierender Eingang mit der Verbindung zwischen den Widerständen 24 und 20 verbunden ist. Sein invertierender Eingang ist an den Mittelabgriff eines Spannungs­ teilers gelegt, der aus zwei Widerständen 32 und 34 besteht, welche zwischen +5VDC und Erde geschaltet sind. Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt über einen Widerstand 36 an +5VDC und erzeugt ein Reset-Signal bzw. ein Vorhandensein von Strom indizierendes Signal.

Während des Betriebs leitet der Transistor 10 über den Widerstand 16 und den Widerstand 28 von der Spannungsquelle +5VDC auf Erde. Der Kondensator 12 wird nahezu auf +5VDC aufgeladen. Aufgrund der Leitfähigkeit des Transistors 10 kann der Transistor 18 nicht leiten, da dessen Emitter-Basis-Verbindung durch den gesättigten Transistor 10 kurzgeschlossen ist.

Während der Transistor 18 nicht leitet, beträgt die Spannung am nichtinvertieren­ den Eingang des Operationsverstärkers 30 +5VDC (die Spannung am invertierenden Eingang ist aufgrund der Spannungsteilung durch die Widerstände 32 und 34 gerin­ ger) und der Ausgangsspannungswert des Operationsverstärkers ist hoch. Dies ist zu einem frühem Zeitpunkt in Fig. 3B dargestellt, welche die Spannung +5VDC als hoch und das Reset-Signal ebenfalls als hoch darstellt.

Wenn nun ein Leistungsabfall eintritt, was in Fig. 3B durch das LEISTUNG-Signal dargestellt ist, fällt die Emitterspannung des Transistors 10 mit einer Rate ab, wie sie durch die durchgezogene Linie +5VDC in Fig. 3B dargestellt ist, wobei diese Rate durch externe Schaltungen bestimmt wird bzw. durch das Entladeverhalten von Kapazitäten in externen Schaltungen. Sobald die Spannung am Emitter des Transistors 10 unter den Wert fällt, bei welchem die Emitter-Basis-Verbindung stromleitend bleibt (das Basispotential wird durch den Kondensator 12 gehalten), kann der Transistor 10 nicht mehr leitend bleiben.

Wenn der Transistor 10 nicht mehr leitend ist, wird der Kurzschluß um den Transi­ stor 18 eliminiert. Über die Widerstände 28 und 26 wird die Basis des Transistors 18 auf Erde gelegt, wodurch der Transistor 18 angeschaltet wird. Hierdurch kann sich der Kondensator 22 durch den Widerstand 20 und den Transistor 18 schnell, das heißt in Mikrosekunden, entladen.

Durch die plötzliche Entladung des Kondensators 22 sinkt die Spannung am nichtin­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 sofort auf ein niedriges Niveau ab, was durch die Vorderkante des Reset-Signals aus Fig. 3B dargestellt ist.

Die Beendigung der Leitfähigkeit des Transistors 10 beendet auch die Durchleitung durch die sich verschlechternde Gleichspannungsquelle zu externen digitalen Schal­ tungen oder einem Batterieschalter, falls dieser angeschlossen ist.

Wenn sich die +5VDC-Spannung verschlechtert, fällt sie eventuell unter den Span­ nungswert GRENZE an der Verbindung zwischen den Widerständen 32 und 34. Der Ausgang des Operationsverstärkers verbleibt dann auf niedrigem Niveau, und zwar ohne Unterstützung der Freigabeschaltung aufgrund der geringen Versorgungs­ spannung. Das Niveau, bei welchem dieses auftritt, wird durch die Werte der Wi­ derstände 32 und 34 des Spannungsteilers eingestellt.

Es ist ersichtlich, daß der Reset-Signal-Impuls zuverlässig und sofort ausgelöst wird bei einem sehr geringen Spannungsabfall der +5VDC-Versorgungspannung, wobei die geringe einfache Emitter-Basis-Grenzspannung eines Transistors ausreicht, um ihn zu verhindern.

Wenn die Spannung wieder hergestellt ist, was durch das LEISTUNG-Signal in Fig. 3B dargestellt ist, beginnt die Spannung am +5VDC-Eingang anzuwachsen, wie es durch die durchgezogene Linie dargestellt ist. Weil jedoch der Kondensator 22 entladen ist, verbleibt der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 30 auf niedrigem Niveau. Der Kondensator 20 wird aus dem +5VDC-Eingang über den Widerstand 24 langsam, das heißt während 62 msec oder mehr, geladen. Erst wenn die Spannung am Kondensator 22 die GRENZE-Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 30 überschreitet, steigt dessen Ausgangssignal auf hohes Niveau, was durch die durchgezogene, ansteigende Linie am Ende des RESET-Impulses in Fig. 3B dargestellt ist. Externe Schaltungen, welche das Ende des Reset-Impulses erhalten, werden hierdurch zurückgesetzt (Reset) und funktio­ nieren wieder.

Es sei angemerkt, daß bei Systemen, in welchen sich die +5VDC-Spannung nur langsam wieder herstellt, das Ende des Reset-Impulses über einen längeren Zeit­ raum verzögert werden kann. Beispielsweise kann bei Wahl eines Widerstands 24 von einem MegOhm und eines Kondensators 22 von einem Mikrofarad die Beendi­ gung des Reset-Impulses über mehr als eine Sekunde verzögert werden. Änderun­ gen des Reset-Augenblicks sind durch die unterbrochenen Linien in den +5VDC und RESET-Signalen in Fig. 3B dargestellt, welche für eine langsame Wieder­ herstellung der Spannung und eine entsprechende Verzögerung der Endkante des Reset-Impulses stehen, wobei bei einer schnellen Wiederherstellung der Spannung die entsprechende Endkante des RESET-Impulses zeitlich früher liegt.

Dies sollte mit dem Beispiel aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 3A verglichen werden. Wenn hier ein Spannungsverlust auftritt, wird dieser nur detektiert, wenn die +5VDC-Spannung auf z. B. 4,7 Volt abgesunken ist, wie es sich aus der +5VDC- Kurve ergibt. Hierdurch werden die Vorderkanten des logischen Niveaus von LEI­ STUNG VORHANDEN und der RESET-Impuls durch eine Zeit t1 verzögert, welche manchmal groß genug ist, um den Inhalt eines EPROM zu zerstören.

Wenn die Spannung wieder hergestellt wird, wie es sich aus der LEISTUNG-Kurve ergibt, beginnt die +5VDC-Spannung anzuwachsen. Wenn sie einen Wert von +4,7 Volt erreicht, wird das logische Niveau von LEISTUNG VORHANDEN auf hoch gesetzt. Typischerweise tritt die Führungskante des logischen Niveaus des RESET- Impulses bei einer Zeit t2 nach der Wiederherstellung des logischen Niveaus von LEISTUNG VORHANDEN auf. Es gibt keine Möglichkeit, das Ende des RESET- Impulses mit variabler Zeit zu verzögern oder eine Zeit festzulegen, um sicherzustel­ len, daß ein Stromversorgungsübergangsintervall vergangen ist.

Die Spannung am Kondensator 12 folgt der Ermitterspannung des Transistors 10 (abzüglich des Spannungsabfalls an der Verbindung zwischen Emitter und Basis). Mit der Wiederherstellung der vollen +5VDC geht die Schaltung somit wieder in einen Zustand über, bei welchem der Transistor 10 leitet und der Transistor 18 kurzgeschlossen ist und nicht leitet, so wie es zu Beginn beschrieben wurde.

Sobald jedoch die nächste Stromunterbrechung unmittelbar nach der ersten auftritt, sogar während der Zeit, in welcher die +5VDC-Spannung ansteigt, wiederholt sich der oben beschriebene Prozeß, weil die Spannung an dem Kondensator 12 der Emit­ terspannung des Transistors 10 (abzüglich des Spannungsabfalls an der Verbindung zwischen Emitter und Basis) folgt.

Es sei angemerkt, daß die Schaltung als Indikationsschaltung für das Vorhandensein von Energie verwendet werden kann, weil der Ausgang des Operationsverstärkers 30 bei Vorhandensein von Energie (Spannung) auf hohem logischen Niveau (+5VDC) steht und beim Fehlen von Energie auf geringem logischen Niveau steht.

Zwar wurde die Schaltung unter Bezugnahme auf eine positive Spannungsquelle und bipolare Transistoren in PNP-Bauweise beschrieben, ein Fachmann erkennt je­ doch, daß die Erfindung auch unter Verwendung von bipolaren NPN-Transistoren und einer negativen Spannungsquelle funktioniert. Alternativ können auch andere Halbleiter verwendet werden, wobei die Prinzipien der vorliegenden Erfindung er­ halten bleiben; die Verwendung der Bezeichnung "Transistor" meint somit jegliche Halbleiter oder Schalter, welche eine entsprechende Funktion gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausführen können.

Claims (15)

1. Reset-Schaltung mit einer ersten Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Reset- Impulses, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zweite Vorrichtung (3) zur Freigabe der ersten Vorrichtung (5) zum Starten des Reset-Impulses aufweist, sowie eine dritte Vorrichtung (1) zur Detektion eines Spannungsabfalls einer Spannungsquelle (V) und zur Freigabe der zweiten Vorrichtung (3) nach die­ ser Detektion, und eine Verzögerungseinheit (4) zur Verzögerung der Dauer des Reset-Impulses bis zur Wiederherstellung der vollen Versorgungsspannung (V).

2. Reset-Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Vorrichtung (1) aufweist einen ersten Transistor (10) in Reihe mit einem ersten Widerstand, eine Einrichtung zur Aufladung eines ersten Kondensators (12) durch den Transistor (10) von der Spannungsquelle (V), eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit dem ersten Transistors (10) aus einer La­ despannung des ersten Kondensators (12), eine Einrichtung zur Verhinderung der zweiten Vorrichtung (3) an der Leitung des ersten Transistors (10) und eine Einrichtung zur Entladung des Kondensators (12), wobei die Leitfähig­ keit des ersten Transistors (10) verhindert wird und die zweite Vorrichtung (3) daraufhin freigegeben wird, wenn die Versorgungspannung (V) unter die Ladespannung des Kondensators (12) fällt.

3. Reset-Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (3) aufweist einen zweiten Transistor (18), welcher parallel zu dem ersten Transistor (10) geschaltet ist, jedoch bei Leitfähigkeit des ersten Transistors (10) außer Betrieb bleibt, einen Kondensator (22), welcher an den zweiten Transistor (18) angeschlossen ist und durch die Versorgungsspannung aufgeladen wird, wobei der Kondensator (22) auch an die erste Vorrichtung (5) angeschlossen ist, und eine Einrichtung zum Entladen des zweiten Kon­ densators (22) durch den zweiten Transistor (18) aufgrund des Betriebs und der Leitfähigkeit des zweiten Transistors (18), wodurch die erste Vorrichtung (5) freigegeben wird.

4. Reset-Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außer­ dem einen variablen Widerstand (24) aufweist, welcher zwischen den zweiten Kondensator (22) und die Versorgungsspannung geschaltet ist, um die Lade­ zeit des zweiten Kondensators (22) und die daraus resultierende Dauer des Reset-Impulses einzustellen.

5. Reset-Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (5) ein Operationsverstärker (30) ist, dessen nichtinvertierender Eingang an den zweiten Kondensator (22) angeschlossen ist und dessen inver­ tierender Eingang an eine Grenzspannungsquelle angeschlossen ist sowie eine Einrichtung zur Erzeugung des Reset-Impulses vom Ausgang des Operations­ verstärkers (30).

6. Reset-Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Emit­ ter des ersten bipolaren Transistors (10) mit einem ersten Pol einer Versor­ gungsspannung (V) und dessen Basis über den ersten Kondensator (12) und einen ersten Widerstand (14) mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung (V) verbunden ist, die Basis des zweiten bipolaren Transistors (18) in einer Schaltung mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung (V) und dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (20) an den zweiten Kondensator (22) angeschlossen ist, wobei ein anderes Ende des zweiten Kondensators (22) mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung (V) verbunden ist, wobei die Ver­ bindungsstelle des zweiten Kondensators (22) und des zweiten Widerstands (20) über einen dritten Widerstand (24) mit dem ersten Pol der Versorgungs­ spannung (V) und direkt mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operati­ onsverstärkers (30) verbunden ist und durch eine Einrichtung zur Aufrechter­ haltung des zweiten Transistors (18) im nichtleitfähigen Zustand, während der erste Transistor (10) leitfähig und in Betrieb ist und im leitfähigen Zustand zur Entladung des zweiten Kondensators (22) auf eine Spannung, welche geringer ist als die erste Grenzspannung, die an den invertierenden Eingang des Ope­ rationsverstärkers (30) bei Nichtleitung des ersten Transistors (10) angelegt wird, wobei ein Reset-Impuls durch den Operationsverstärker (30) ausgelöst wird.

7. Reset-Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitkonstante des ersten Kondensators (12) und des ersten Wi­ derstands (14) im Bereich von Mikrosekunden liegt.

8. Reset-Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitkonstante des zweiten Kondensators (22) und des zweiten Widerstands (20) im Bereich von Mikrosekunden liegt.

9. Reset-Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zeitkonstante des zweiten Kondensators (22) und des dritten Widerstands (24) im Bereich einer halben bis zwei Sekunden liegt.

10. Reset-Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der dritte Widerstand (24) variabel ist.

11. Reset-Schaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Pol der Versorgungsspannung (V) positiv ist und die Tran­ sistoren (10, 18) vom PNP-Typ sind.

12. Reset-Schaltung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Vorrichtung (5) ein Operationsverstärker (30) mit einer an seinen invertierenden Eingang angelegten Grenzspannung ist und der nichtinvertierende Eingang mit der Versorgungsspannung (V) verbunden ist, welche höher als die Grenzspannung ist, und die zweite Vorrichtung (3) einen Schalter zum Umschalten des nichtinvertierenden Eingangs des Ope­ rationsverstärkers (30) auf eine geringere Spannung als die Grenzspannung beinhaltet, welcher durch die dritte Vorrichtung (1) freigegeben wird.

13. Reset-Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorrichtung (3) einen ersten Kondensator in Reihe mit einer Entladestrecke aufweist, welche an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (30) angeschlossen ist, die Entladestrecke vor der Freigabe der zweiten Vorrich­ tung (3) nichtleitend gehalten wird und zur Leitung und Entladung des ersten Kondensators gegen Erde freigegeben wird, wobei der nichtinvertierende Ein­ gang des Operationsverstärkers (30) auf Erde gelegt wird.

14. Reset-Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Vorrichtung (1) einen Kondensator aufweist, welcher auf eine Spannung nahe derjenigen der Spannungsquelle (V) aufgeladen wird sowie eine elektrisch lei­ tende Einrichtung, welche an der elektrischen Leitung gehindert wird, sobald die Versorgungsspannung (V) geringer wird als die am Kondensator anliegende Spannung, wobei die Beendigung der elektrischen Leitung der elektrisch lei­ tenden Einrichtung die Freigabe der zweiten Vorrichtung (3) triggert, um den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (30) auf eine Spannung geringer als die Grenzspannung zu schalten.

15. Reset-Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Ladewiderstand in Reihe mit dem ersten Kondensator zur Versorgungsspan­ nung (V) aufweist, der Ladewiderstand den ersten Kondensator zur Bildung ei­ ner Endkante des Reset-Impulses auflädt, nachdem die Versorgungsspannung (V) der Spannungsquelle im Anschluß an den detektierten Spannungsabfall wieder hergestellt wurde, mit einer Zeitkonstante, welche die Beendigung des Reset-Impulses in vorbestimmtem Maß verzögert.