ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КОММУТАТОРЫ

Современные ИИС осуществляют, как правило, измере­ние большого числа физических величин. Отбор информа­ции при этом осуществляется периодическим подключением на определенное время датчиков измерительной инфор­мации ко входу АЦП или канала связи. Устройство, кото­рое преобразует пространственно-разделенные аналоговые сигналы в сигналы, разделенные во времени, и наоборот, называется коммутатором сигналов.

Кроме временного разделения каналов, коммутаторы используются в ИИС для подключения выходных сигналов в определенной последовательности к устройствам пред­ставления информации, для распределения сигналов, несу­щих служебную информацию, для формирования сложных сигналов специальной формы и т. д.

Так как коммутатор, являясь элементом измерительной системы, представляет собой измерительный преобразова­тель, параметры которого определяют параметры всей си­стемы в целом, то метрологические характеристики ком­мутаторов, применяемых в информационно-измерительной технике, нормируются. Коммутаторы с нормируемыми мет­рологическими характеристиками, получили название из­мерительных коммутаторов.

В общем случае измерительный коммутатор представ­ляет собой совокупность ключевых элементов различной конструкции и принципа действия, управляемых разнооб­разными устройствами управления. Коммутаторы различа­ются по точности, быстродействию, уровню коммутируемых сигналов, числу каналов и т. д.

По точности измерительные коммутаторы подразделя­ются на низкоточные (с погрешностью γ ≥ 1,0%), средней точности (γ =1,0÷0,05%) и высокоточные (γ <0,05).

Аналогично по быстродействию коммутаторы выполня­ются с низким быстродействием (время переключения Т _п > 0,1 мс), со средним быстродействием (0,1 мс > Т _п >1,0 мкс) и быстродействующими (Т _п<1,0 мкс).

Рис. 6.7. Эквивалентная схема ключевого элемен­та

По числу коммутируемых каналов т измерительные коммутаторы подразделяются на малоканальные (т <10), среднеканальные (100> т >10) и многоканальные (т >100).

Погрешность измерительного коммутатора является важным метрологическим параметром, определяющим не только пригодность коммутатора для преобразования сиг­налов различных уровней, но и сложность его изготовле­ния. Результирующая по­грешность коммутатора определяется погрешно­стью каждого ключевого элемента, а также влия­нием их друг на друга.

Ключевой элемент из­мерительного коммутато­ра представляет собой контактное или бескон­тактное реле (ключ), включенное в ту или иную электрическую цепь, образующую электрический четырех­полюсник.

Существуют два способа включения ключа в цепь че­тырехполюсника: последовательный, когда ключ подклю­чается последовательно к источнику коммутируемого на­пряжения, и параллельный, когда ключ подключается параллельно источнику напряжения, шунтируя его в замк­нутом состоянии.

Параллельное подключение ключа по сравнению с последовательным используется значительно реже. Поэто­му анализ погрешности измерительного коммутатора про­ведем для последовательного подключения ключа.

На рис. 6.7 приведена эквивалентная схема ключевого элемента измерительного коммутатора.

Положение 1 условного переключателя П соответству­ет открытому состоянию ключа, а положение 2 — закры­тому.

Основными параметрами, характеризующими работу ключевого элемента в открытом состоянии, являются со­противление R _o и напряжение U _о, действующее на выходе ключевого элемента при U _вх = 0.

В закрытом состоянии основными параметрами ключе­вого элемента являются сопротивление R _з и ток I­ ₀, генери­руемый ключом.

В идеальном случае (идеальный ключевой элемент) R _обр = 0, U ₀ = 0, I ₀ = 0, R ₃ = ∞. Однако в реальных ключе­вых элементах значения указанных параметров отличают­ся от идеальных. В результате возникает погрешность, за­висящая не только от конструкции и принципа действия используемого ключа, но и от параметров коммутируемого сигнала, температуры окружающей среды, числа каналов и ряда других факторов.

В общем виде связь между входным U _{вх i} и выходным U _{вых i} напряжениями i -го ключевого элемента т -канального измерительного коммутатора описывается сложным уравнением. Это объясняется взаимным влиянием ключе­вых элементов коммутатора, находящихся в закрытом со­стоянии.

Однако если предположить, что все ключевые элементы в закрытом состоянии имеют одинаковые параметры: R _{з i} = R _з и I_0i = I₀ и на их входах действуют максимальные и равные уровни коммутируемых напряжений U _{вх i} = U _{вх max}, то с учетом того, что в реальных условиях эксплуатации практически всегда R_i» R _o и R _н «(R_i + R_з), где R_i —внут­реннее сопротивление источника коммутируемого напряже­ния, a R _н — сопротивление нагрузки, получим:

U _{вых i} = U _{вх i} + U _{0 i} + (m - 1) (R _o U _{вх max} / R _з + I₀ R _o).

Второе слагаемое правой части приведенного соотноше­ния определяется значением напряжения U _{0 i} i -го ключево­го элемента, которое возникает за счет термо-ЭДС, кон­тактной разности потенциалов или остаточных напряжений в полупроводниковых элементах.

Третье слагаемое характеризует влияние m —1 закры­тых каналов и определяет возможность использования ключевых элементов при построении многоканальных изме­рительных коммутаторов.

Приведенная погрешность у коммутатора определяется формулой

Для реальных схем среднеканальных измерительных коммутаторов (m ≤ 100 U _{0 i}» 100 (R _o U _{вх max} /R _з+ I ₀ R _o), по­этому при их построении необходимо выбирать ключи с малым уровнем напряжения U ₀. К таким элементам отно­сятся полевые транзисторы, у которых U ₀ = 0.

Коэффициент преобразования k _кл таких ключевых эле­ментов k _кл = U _вых/ U _вх ≈ 1.

По виду коммутирующих элементов коммутаторы делят на две группы: контактные (механические, электромехани­ческие) и бесконтактные (электронные).

В контактных коммутаторах коммутация сигналов осу­ществляется замыканием и размыканием механических контактов. Механические коммутаторы управляются от специального привода и имеют различные типы контактов (контакты скольжения, контакты качения, разрывные кон­такты и т. д.). Такие коммутаторы позволяют производить опрос 50—60 измерительных каналов со скоростью опроса, достигающей 500 каналов/с.

Механические коммутаторы отличаются низким пере­ходным сопротивлением контактов в замкнутом состоянии (0,02—0,2 Ом) и высоким сопротивлением, определяемым сопротивлением изоляционного материала, в разомкнутом. Однако их применение позволяет осуществлять только по­следовательный опрос каналов и не дает возможности ме­нять программу опроса в ходе измерений.

Более гибкими в функциональном отношении являются электромеханические коммутаторы, которые выполняются на электромеханических реле, управляемых электронными схемами. Наибольшее распространение в качестве ключей электромеханических коммутаторов получили магнитоуправляемые контакты — герконы (от слов «герметизирован­ный контакт»). Конструктивно геркон представляет собой баллон, диаметр которого не превышает 6,25 мм и длина 50 мм, в котором создается вакуум или газовая среда (ар­гон, азот, водород) различного давления.

В баллон консольно впаяны пружинные контакты из ферромагнитного материала. При определенной напряжен­ности магнитного поля внешнего электромагнита или по­стоянного магнита свободные концы пружины, находящие­ся на расстоянии нескольких десятых и даже сотых долей миллиметра друг от друга, притягиваются, замыкая кон­такт. При уменьшении напряженности магнитного поля пружины возвращаются в исходное состояние, и контакт размыкается. По характеристикам герконы приближаются к идеальным переключателям. Они имеют малое и стабиль­ное контактное сопротивление в замкнутом состоянии (0,02—0,2 Ом), большое сопротивление в разомкнутом со­стоянии (109—1015 Ом), но обладают низким быстродейст­вием (0,5—2 мс), которое ограничивается временем переброса подвижного контакта и «дребезгом» контактов при замыкании. Кроме того, герконы подвержены воздействию внешних магнитных полей и имеют высокий уровень наво­димых помех. При использовании рассматриваемых кон­тактных ключей для коммутации цепей с низким уровнем измеряемого напряжения следует учитывать возможность появления термо-ЭДС между точками подключения геркона, значение которой достигает нескольких микровольт,

В бесконтактных измерительных коммутаторах подклю­чение того или иного источника измерительной информации осуществляется изменением электрической проводимости управляемых электронных элементов (транзисторов, дио­дов и т. п.).

В каждом конкретном случае может применяться лю­бой из рассмотренных типов коммутаторов. Однако наи­большее практическое применение в многоканальных ИИС получили так называемые системные измерительные ком­мутаторы.

Основную роль в работе системного коммутатора игра­ет блок управления, который состоит, как правило, из ге­нератора тактовых импульсов и распределителя импуль­сов, выходы которого связаны с ключевыми элементами. В качестве генератора тактовых импульсов используются генератор синусоидальных колебаний с формирователем, генератор релаксационных колебаний и т. д. В качестве распределителя импульсов может быть использована лю­бая электронная схема, обеспечивающая либо последова­тельное переключение ключей коммутатора, либо переклю­чение их по программе. Часто распределитель импульсов выполняется в виде сдвигающего регистра. В младший раз­ряд регистра записывается 1, которая с каждым тактом по­следовательно сдвигается в сторону старших разрядов, вы­зывая срабатывание соответствующих ключей. Распреде­лители импульсов разработаны и в интегральном исполне­нии (К564ИЕ9).

Частота, последовательность и продолжительность вре­мени подключения датчиков, т. е. программа опроса кана­лов, зависят от многих факторов. Обычно эти характерис­тики программы опроса каналов находятся на основании предварительного изучения коммутируемых сигналов. Признаками, по которым определяются необходимость и продолжительность подключения каждого датчика, могут быть уровень или знак сигнала, скорость его изменения или приоритет.

Простейший режим коммутации — это такой режим, когда число измерительных каналов m равно числу входов коммутатора m _к (m = m _к) и канальные интервалы Т _к (ин­тервал времени, в течение которого выходной сигнал дат­чика подключен к системе) равны между собой. В этом случае периоды T _опр опроса всех датчиков тоже равны ме­жду собой, т. е. T _опр1 = T _опр2 =...= Т _опр = mТ_к. При этом равны будут и частоты опроса датчиков:

F _опр1 = F _опр2 =...= F _опр = 1/ Т _опр

Отсюда следует, что

T _к = l/ mF _oпp,

т. е. рост числа измерительных цепей или частоты их опро­са влечет за собой уменьшение длительности канальных интервалов.

Разные сигналы требуют разных частот опроса. Ориен­тация на максимальную частоту опроса F _{опр mах} приводит к тому, что для тех сигналов, где можно допустить F _{опр i} < F _{oпp max} , сигналы передаются с большой избыточностью. Вследствие этого простейший режим работы коммутатора (с одинаковой частотой опроса всех датчиков) приемлем не всегда и часто используется лишь при исследовании простых объектов с небольшим числом контролируемых параметров.

Режим коммутации с разной частотой опроса датчиков достигается группированием коммутируемых цепей или из­менением графика их работы.

Если цикличность опроса группы, состоящей из m дат­чиков, определяется периодом подключения датчика с наи­меньшей требуемой частотой опроса Т _ц = l/ F_min, то за вре­мя цикла измерений T _ц должны быть опрошены все m датчиков и каждый из них нужное число раз, т. е. за интервал времени Т _ц необходимо произвести измерений, где F_i — частота опроса i -го датчика. В этом слу­чае на одно измерение приходится интервал времени

откуда

,

или

Знак равенства в полученном соотношении соответству­ет использованию всех коммутируемых цепей. Это условие означает, что при установке различных режимов коммута­ции общее число выборок, формируемых в единицу времени для такой цепи, должно оставаться неизменным.

Рассматриваемое соотношение позволяет:

1) определить наименьшее число коммутируемых цепей, достаточное для осуществления опроса с заданными часто­тами требуемого числа датчиков; при этом установка режи­ма коммутации с различными частотами опроса каналов достигается параллельным включением коммутируемых це­пей (рис. 6.8);

2) при m = m _к определить минимальное число сигналов управления ключами, поступающих с распределителя им­пульсов и необходимых для опроса всех датчиков нужное число раз.

Нетрудно заметить, что группированием коммутируе­мых цепей можно получить не любые, а лишь определенные частоты опроса.

Кроме того, выполнение приведенного выше соотноше­ния для получения регулярного опроса недостаточно. Чтобы опрос был регулярным, т. е. интервал времени между со­седними опросами был одинаковым и равным T _{0 i} = l/ F _{0 i}, необходимо, чтобы число коммутируемых цепей m _к в пер­вом случае (т. е. при m ≠ m _к) или число тактовых импуль­сов во втором (при m = m _к), деленное на N_i = F_i / F_min, бы­ло целым, а множества запараллеленных ключей не пере­секались.

Коммутаторы с перемен­ным (программируемым) оп­росом отличаются от коммута­торов с регулярным (последо­вательным) опросом аппара­турной реализацией переклю­чения коммутируемых цепей.

Максимально достижимую информационную гибкость по­зволяют получить так называ­емые адресные распредели­тели. Такой распределитель импульсов содержит дешиф­ратор, управление которым идет от регистра памяти, в ко­торый поступает соответствующий код номера канала.

В общем случае распределение частот опроса различ­ных ИК удобно изображать в виде древовидного графа (рис. 6.9).

В узле А формируется частота опроса F _т всех ИК, кото­рая обычно называется тактовой частотой

Частота каждого узла делится на его степень, т. е. на число линий, исходящих из узла. Например, в узлах Б ₁— Б ₃ действует частота опроса F _Б= F _т/3, в узлах В ₁— В ₂ часто­та опроса равна F _Б/2 = F _т/6, в узлах В ₃— B ₅ F _Б / 3 = F _т/9.

Увеличивая или уменьшая дерево графа, можно полу­чить различные программы опроса датчиков.

Рис. 6.10. Структурная схе­ма 25-канадьного коммута­тора

Одной из эффективных структур построения среднеканальных коммутаторов (т <100) является многоступенча­тая.

На рис. 6.10 приведен пример двухступенчатой структу­ры 25-канального измерительного коммутатора.

Пятиканальный центральный коммутатор Км _цн, распо­ложенный на втором уровне, управляет работой пятиканальных коммутаторов Км ₁— Км ₅ нижнего уровня.

При программном управлении Км _цн осуществляет адресный вы­бор одного из коммутаторов KMI и устанавливает его в по­ложение, при котором ко входу ИИС подключается требу­емый датчик из группы датчиков, обслуживаемых данным коммутатором Км _i.

Рис. 6.11. Структурная схема матричного коммутатора

В некоторых измерительных коммутаторах Км _цн осуще­ствляет циклический опрос коммутаторов нижнего уровня. В этом случае управление опросом датчиков берут на се­бя коммутаторы нижнего уровня.

Если в качестве пятиканального коммутатора любого уровня использовать интегральную микросхему 1КТ901, то абсолютная погрешность, вызванная неидеальностью параметров разомкнутых ключей, для рассмотренной струк­туры коммутатора составит 8 мВ. В аналогичном коммута­торе, выполненном по одноуровневой структуре, та же по­грешность составит 24 мВ.

Недостатком многоступенчатой структуры является сложность устройства программного управления, особенно при числе каналов коммутатора т > 50.

При коммутации большого числа каналов (т > 100) наиболее удобными оказываются коммутаторы, выполнен­ные по структурам матричного типа. Принцип действия матричного коммутатора поясняется на рис. 6.11.

Рис. 6.12. Структурная схема пира­мидального коммутатора

Для срабатывания какого-либо реле, например Р_{2 3}, находящегося в узле матрицы, необходимо одновременно на две соответствующие шины 2 ₁ и 3 ₂ подать питающее напряжение Е путем замыкания ключей Кл2 ₁ и Кл3 ₂. Реле Р _{2 3} срабатывает, вызывая замыкание соответствующих контактов коммутатора.

Матричная схема может быть использована непосред­ственно для коммутации измеряемых сигналов. Однако это целесообразно только при коммутации сигналов сравнительно высокого уровня (U _вх > 1В).

При коммутации ма­лых напряжений (менее 1В) из-за значительной аддитивной погрешности матричного коммутатора существенно увеличива­ется относительная по­грешность преобразова­ния. Поэтому чаще всего матричная схема применяется в качестве распределителя управляющих импульсов, подаваемых на канальные ключевые элементы.

При создании схемы измерительного коммутатора с ми­нимальным объемом устройств управления и произволь­ным числом ключей целесообразно использовать многока­нальную пирамидальную структуру коммутатора (рис. 6.12).

Число ступеней в таких коммутаторах равно числу дво­ичных разрядов, содержащихся в общем числе коммутиру­емых сигналов. Общее число ключей N = 2 (т —1), где т — общее число коммутируемых цепей. Если сравнить пирамидальную двоичную и матричную схемы управления по числу используемых в них элементов управления (на­пример, реле), то их отношение равно . На­пример, при переходе от матричной схемы к пирами­дальной при m = 64 число элементов управления умень­шится почти в 3 раза, но при этом число ключений возрас­тет вдвое.

В настоящее время разработан ряд структур многока­нальных измерительных коммутаторов (например, диффе­ренциальные коммутаторы), однако они пока мало изуче­ны и в измерительной технике не используются.

Поиск по сайту: