максимальная частота переключении пли время перехода ключа из одного состояния в другое;

предельное количество переключений, до которого характеристики ключей остаются в пределах нормального состояния.

По коммутационному коэффициенту у идеального ключа должно быть Гр = =оо, Гз = 0, ео = 0, t(F=0. Наиболее близки к таким идеальным ключам по своим параметрам контактные ключи, у которых Гр=108-102 Ом; Гз = 0,005-=-0,1 Ом, собственные ЭДС имеют значения порядка долей и единиц микровольт, Дд=10.

У большинства контактных элементов, управляемых электромагнитными механизмами (электромагнитные и поляризованные реле, шаговые искатели и т. п.), наибольшая скорость переключений составляет от единиц до десятков переключений в секунду, предельное количество переключений не превышает 10-10, а мощность, необходимая для управления ключом, равна примерно 0,1-10 Вт.

Повышенными по сравнению с контактными элементами, управляемыми электромагнитными механизмами, скоростью работы и сроком службы обладают магнитоуправляемые герметичные контакты [7.4]. Выпускаемые промышленностью такие контакты могут срабатывать до 100 раз в секунду (отдельные экземпляры до нескольких сотен срабатываний в секунду) и имеют срок службы, определяемый 10 срабатываниями. Мощность управления у них порядка десятых долей ватта. Ввиду того что контактная группа в таких контактных элементах миниатюрна и контактные усилия малы, сопротивление замкнутых контактов может достигать 0,1 Ом, а сопротивление разомкнутых контактов (сопротивление изоляции) может быть порядка 10 Ом.

Очень большой срок службы (до 10 срабатываний по рекламным сообщениям изготовителей) имеют ртутные контакты (контакты, смачиваемые ртутью по капиллярам). Быстродействие их относительно небольшое - примерно 10 срабатываний в секунду. Технология их изготовления сложна, стоимость высока, поэтому ртутные контакты применяются не столь широко, как магнитоуправляемые контакты.

Заслуживающими внимания характеристиками обладают коммутационные элементы, основанные на использовании эффекта сверхпроводимости. Коммутационный коэффициент их порядка 10 -10 при сопротивлении проволоки в не-сверхпроводящем состоянии примерно 10 Ом.

Перед разработчиками контактных коммутационных элементов стоит задача создания элементов с быстродействием до 10*-10 срабатываний в секунду, сроком службы более 10 срабатываний и небольшой мощностью управления.

В настоящее время контактные коммутационные элементы применяются преимущественно для коммутации параметрических датчиков и малых по уровню токов и напряжений (порядка нескольких милливольт и долей миллиампера) при относительно небольших скоростях коммутации.

Для построения бесконтактных коммутаторов ИИС используются элементы, у которых под воздействием внешнего управляющего сигнала скачкообразно изменяется сопротивление.

Как правило, бесконтактные переключающие элементы имеют большой срок службы, высокое быстродействие, требуют малой мощности управления, но у них относительно небольшой коммутационный коэффициент, меньший динамический диапазон. Кроме того, они в большей степени, чем контактные элементы, подвержены влиянию внешних возмущений; при их использовании необходимо принимать меры к разделению информационных и управляющих цепей.

Рис. 7.7. Схемы коммутаторов с последовательным (а), параллельным (б) и комбинированным (в, е) включением коммутационных элементов

Наибольшее применение в бесконтактных коммутационных элементах нашли полупроводниковые транзисторы и диоды. Такие элементы имеют сопротивление в замкнутом состоянии Гз от 2 до 100 Ом, в разомкнутом Гр от 10 до 10* Ом (коммутационный коэффициент от 10 до Ю^), во от 1 до 100 мкВ, to от 0,01 до 0,05 мкА, С от 5 до 50 пФ, частоту коммутации до 10 срабатываний в секунду.

Коммутационные элементы на полевых триодах имеют Гз от 20 до 2000 Ом, Гр от 10 до 10 Ом, близкие к нулю собственные ЭДС и токи. Частота работы таких элементов - до 10 коммутаций в секунду.

Коммутационные элементы с применением оптронов позволяют гальванически разделить измерительную цепь и тем самым устранить влияние продольных помех (см. следующий параграф), но пока имеют относительно невысокие метрологические характеристики (гз -до 800 Ом, Гр - порядка 10=* Ом, постоянную времени - несколько десятков миллисекунд). После улучшения метрологических характеристик можно ожидать, что оптроны будут использоваться в измерительных коммутаторах.

Основная область применения электронных коммутационных элементов -

коммутация с высокими скоростями относительно больших напряжений и токов (примерно ±5, ±10 В; ±5 мА).

Погрешности коммутаторов напряжений с последовательным включением коммутационных элементов

вых -о

Рис. 7.8. Коммутатор с генераторными датчиками

Коммутационные элементы могут располагаться в коммутируемой цепи последовательно, параллельно сопротивлению нагрузки и комбинированным способом (рис 7.7). Весьма полный анализ этих разновидностей коммутаторов выполнен в [7.5, 7.6]. Наибольшее применение имеют коммутаторы с последовательным включением элементов.

Рассмотрим погрешности, вызываемые влиянием коммутационных элементов, в одноступенчатом коммутаторе с п входами и одним выходом (ft=l).

Будем различать следующие составляющие погрешностей: погрешности, обусловленные отличием сопротивлений Гз и Гр от нуля и бесконечности соответственно;

погрешности от собственных ЭДС ключей; погрешность из-за вариации га и Гр.

Ограничимся рассмотрением случая, когда все ключи коммутатора имеют одинаковые сопротивления: Гз=соп51т^0 и Гр=соп81т'оо, а сопротивление нагрузки Гн=оо.

Если коммутатор предназначен для работы с генераторными датчиками (рис. 7.8), имеющими внутреннее сопротивление гг=Г2= ... =гп=Гв и ЭДС Ей то при замкнутом /-м ключе напряжение на выходе коммутатора

UiEj -\-У1 2 е\1 [у; + (ft - 1) yil

где /г =1/(тв-~?р)-проводимость разомкнутых цепей для всех i, кроме /, для которого {з=1/(гв-~Гз)-проводимость замкнутой цепи. , .

! Это выражение может быть представлено как

.-О I

. п

l+(n-l)(yi/yj) i+yj/Viln-l) (п-1)

1+( -1)(Гв+Гз)/(Гв+Гр)

п

S

в случае если сопротивление нагрузки конечно и равно Гы, то Мвыхн=

= МвыхГн/(/-н+-вых), где rB x=l/[f/j+(ft-

Погрешность, вносимая коммутатором в этом случае, будет находиться по формуле

п

Ь = 1 -ивых/£вх = 1 -Wy-Wi 2 EU[(n - 1)

i = l. iby

Таким образом, суммарная погрешность будет определяться, во-первых, коэффициентом передачи Wj, ЭДС Ej, а во-вторых, влиянием Ег, зависящим от коэффициента передачи w,.

Погрешность коммутатора, изображенного на рис. 7.8, из-за наличия собственных ЭДС ключей, равных et (t=l, 2.....п, Ьф]) и Sj, может быть получена по формуле

й=ш j-e j /Ej-\-Wiet/Ei.

При использовании полупроводниковых ключей нужно учитывать остаточные токи разомкнутых ключей и остаточные напряжения на замкнутых ключах.

Если Ei-Ej, то, учитывая, что Wi-\-Wj=\, имеем ивых=Е1. При Ej=0 и Ei=Ejmax на выходе коммутатора появляется напряжение, вызывающее погрешность Ai=(i)iEjmax. При Ej = Ejmax И £i=0 А2=(1-Wj)Ejmax.

Положим, Ejmax=\Q В, Гз = 0,1 Ом, Гв = 100 Ом, Гр=10 Ом, п=10.

Тогда

д, = --i--=.-=0,91 В.

1--(100-fl0)/(100--0,l)-104 1-flO

; Следовательно, при таких коммутационных элементах и количестве коммутируемых источников напряжения погрешность напряжения коммутатора недопустимо велика.

Для уменьшения погрешности, вносимой wi, следует уменьшить п (так, при =100 в предыдущем примере АоЮ- В).

Одни из схемных способов уменьшения этой погрешности состоит в переходе на схему двухступенчатого коммутатора, при котором п входов раз.де-ляются на q групп по т датчиков (рис. 7.9).

На эквивалентной схеме рис. 7.9,а принято, что во всех q группах включены; /-е цепи с помощью ключей коммутатора первой ступени Ki, а выборка группы / и, следовательно, подключение к выходу цепи Ij осуществляются коммутатором К2 второй ступени.

В такой схеме резко упрощается устройство управления коммутатора первой ступени, , . ,

Конечно, подключение только одной цепи в одной группе может не-.: сколько снизить погрешность коммутации.

Для упрощенного приближенного расчета коммутатора может быть принята эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.9,6. В ней, поскольку т. невелико, а Гр>гз и р>1/[(т-1)1/(гв--Гр)-~1/(гв--Гз)], не учитывается влияние цепей, параллельных включенным /-м цепям в каждой группе, а также упрощена конг фигурация цепи группы /, подключенной к выходу.

Для этой схемы, если считать, что коммутируемое напряжение равно Ef, а остальные напряжения - £j.

в

Гз ф Гр

Гв

Гз ф Гр

-в

Рис. 7.9. Схема двухступенчатого коммутатора с генераторными датчиками (а) и ее эквивалентная схема (б)

>

т

mix 1

Рис. 7.10. Коммутатор компенсационного типа:

а - обобщенная схема; б - пример реализации

[£у/(гв +2/-з)] + [(m- !) + (?- 1)] Ei +

вых = [ 1 /(Гв + 2гз)] + [(т + <? - 2)/(Гз + Аз + р)!

1 Е.+

I+(( + ?-2)(/-в4-2гз)/(гв+-з4-/-р)]

+ Е,

1 + [(в + + Гр)/(ГЕ+2,-з) (т+<?-2)]

При заданном п выражение т-\--2 принимает наименьшее значение при т=9. Положим п=10, тогда при т = 10\ q=10 оно равно m-j--2=1008, а при =102 и <7=102 т~-?-2=198. Если при п=10, £,= 10 В, Ej=0 В, Гз=0,1 Ом,

1 10

гв=100 Ом, гр=10 Ом выбрать т=<?=100, то Ао= , jo7,oo.2oO) °~5бС= =2-10-2.

Уменьшение погрешности коммутации, вызванной влиянием параллельных цепей, можно осуществить, используя методы компенсации при установлении потенциалов на разомкнутых ключах, равных напряжению в цепи, подключенной к выходу коммутатора (рис. 7.10,а).

На рис. 7.10,6 приведен пример коммутатора, реализованного с использованием операционного усилителя УТ401Б (коэффициент усиления равен 8-10 У?вх=4 кОм) и полевых триодов КПЮЗИ (гз=300 Ом. Гр=10 Ом). Характеристики коммутатора: п=80, Гв = 10 кОм, Roi=l МОм. Для подключаемого

входа на затвор подается и'у* =+(7 (состояние разомкнуто) и =0 (со-

стояние замкнуто), для всех остальных м^/ =0 (замкнуто) и и^} =-ft (разомкнуто). Для идеального усилителя и полевого транзистора вых = = (oj/b) j. Погрешность Д] при закорачивании /-го входа и подаче на все остальные входы коммутатора 6 В не превышала 0,3%.

Нужно подчеркнуть, что все приведенные расчеты коммутаторов весьма приближенны и дают в большинстве случаев завышенные результаты по сравнению с расчетами, в которых используются реальные данные. Так, по-видимому, при большом п, ±£i и равномерном распределении их вероятностей сумма ЭДС Sfi может быть близка к нулю и могут быть внесены коррективы в результаты расчетов при учете случайного характера Гз, Гр, Гв и т. п.

Погрешности коммутаторов параметрических датчиков с последовательным включением коммутационных элементов Рассмотрим погрешность, вносимую при коммутации резистивных датчиков, к которым относятся широко используемые тензо-, термо-, фоторезисторы. У этих датчиков сопротивление Гд=г+Дг, а преобразуемая величина 0 связана с Дг= =f{Q). Нужно отметить, что для многих типов тензо- и терморезисторов Агг.

Выходное сопротивление коммутатора (рис. 7.11,а) при равенстве сопротивлений датчиков и замкнутом /-м ключе

г = \ := Г^+Гэ

(1/(Гд4-Гз)+(2-1)/(Г;+Гр) 1+[( -1)(Гд+Гз)/(Гу--Гр)]

Если добиться чтобы влияние цепей, включенных параллельно коммутируемой цепи, было меньше установленного, т. е. (п-1) (/- -f Гз)/(г,--грХ^о, то можно пользоваться приближенным выражением

/ вых= Гд--Гз=(г±Дг) +Гз.

-о t/n °-

Рис. 7.11. Размещение коммутационных элементов в мостовой цепи:

а - последовательно с датчиками; б - в индикаторной диагонали; в - в индикаторно!5 диагонали и последовательно с г - то же с дополнительной цепью Г4, Г5, г

Для того чтобы выделить для дальнейших измерительных операций только переменную составляющую Гвых, чаще всего используется мостовая схема.

Однако значительные трудности возникают при уменьшении влияния переменной составляющей ±Дгз замкнутого коммутационного элемента. Если нет элементов с приемлемыми характеристиками, то следует рассмотреть применение схемных методов. Кратко остановимся на нескольких нашедших применение в ИИС схемных методах уменьшения влияния коммутационных элементов. При большом сопротивлении нагрузки или при компенсационном режиме влияние коммутационных элементов может быть уменьшено до нужной степени размещением коммутационных элементов не последовательно с датчиками в плече мостовой цепи (рис. 7.11,а), а в измерительных диагоналях мостов (рис. 7.11,6)

[7 3] По существу, при этом осуществляется коммутация напряжений. Основной недостаток такой измерительной цепн связан с необходимостью обеспечить питание п параллельных полумостов с изготовлением элементов мостовой цепн (напряжение питания t/n).

Для уменьшения мощности питания схема на рис. 7.11,6 может быть преобразована в схему, изображенную на рис. 7.11,е. В ней коммутационные элементы располагаются последовательно с плечом Гн, сопротивление которого можно сделать достаточно большим. При увеличении сопротивления Гк можно добиться линейности функции преобразования Ди=ф(Дг) в более широком диапазоне изменения Дг по сравнению с соотношением Гк=г^.

Дальнейшего уменьшения влияния ДГз в этой схеме можно добиться, используя размещение коммутационных элементов в соответствии со схемой, приведенной на рис. 7.11,г. Сопротивление г^=г^:$>г. Использование этой цепи при реальном тензометрировании с помощью проволочных тензорезисторов и коммутации магнитоуправляемыми контактами позволило получить погрешность коммутации меньше 0,1 7о-

Для уменьшения влияния сопротивлений коммутационных элементов и соединительных линий может также использоваться схема двойного моста.

Двухступенчатые коммутаторы для сигналов параметрических датчиков, как Г1равило, не применяются. Для коммутации большого количества датчиков используются двухступенчатые коммутаторы, у которых вторая ступень коммутирует цифровые сигналы.

В этом и предыдущем параграфах рассматривались упрощенные эквивалентные схемы коммутаторов. Повышенные требования к точности коммутации сигналов постоянного тока приводят к необходимости учета токов утечек, случайных составляющих сопротивлений, паразитных параметров. Работа быстродействующего коммутатора или коммутатора сигналов повышенной частоты требует учета комплексных сопротивлений коммутируемых цепей.

Определение количества коммутирующих элементов и элементов схем управления

Минимальное количество коммутирующих элементов N, равное количеству коммутируемых сигналов п, получается в одноступенчатом коммутаторе, в котором все входы соединяются поочередно с одним выходом. По существу, именно это обстоятельство предопределяет преимущественное применение таких коммутаторов для измерительных цепей. Какое количество элементов схем управления необходимо для одноступенчатого схемного коммутатора? Если релейные элементы, управляющие срабатыванием ключей, представляют собой двухполюсники, то возможны варианты одностороннего (рис. 7.12) и двустороннего или матричного (рис. 7.13) управления релейными элементами. Обе эти схемы пригодны для адресного (соответственно одно- или двух каскадного) и циклического управления. При применении матричного управления для более четкого разделения сигналов последовательно с каждым релейным элементом часто устанавливаются разделительные диоды (на рис. 7.13 не показаны). Если при двустороннем управлении используется квадратная матрица, то число ее при двустороннем управлении используется квадратная матрица, то число ее входов М=2у п, где п - общее число коммутируемых точек. При и>2 / п, что-получается при п>4 выигрыш в количестве элементов управления при применении матричного управления можно оценить отношением и/2 / и=у п/2; это-особенно ощутимо при больших п (положим, п= 100, тогда это отношение бу-

Рис 712. Схема одностороннего управления коммутационными элементами

Рис. 7.13. Схема двустороннего (матричного) управления коммутатором

дет равно 5). Использование матричного управления позволяет также суще-ственно упростить дешифраторы DCx и DCy-

Если снять ограничение на удовлетворение требования минимального количества ключей и поставить задачу создания схемы коммутатора с минимальным количеством устройств управления, то можно прийти к многоступенчатому пирамидальному коммутатору. Количество ступеней в таких коммутаторах равно количеству двоичных разрядов, содержащихся в общем числе коммутируемых сигналов; общее количество ключей равно N=2(n~\), а ввиду использования параллельного управления релейными устройствами одной ступени количество двоичных элементов схем управления будет равно M=log2n. Если сравнить пирамидальную двоичную и матричную схемы управления по количеству элементов, то их отношение равно 2l /log2 . Например, при и=64 количество элементов управления уменьшится для пирамидальной схемы примерно втрое, но количество ключей увеличится примерно вдвое. Ввиду резкого увеличения ключей пирамидальные схемы почти не находят применения в измерительных коммутаторах.

При двухступенчатых недвоичных коммутаторах п коммутируемых сигналов разбиваются на т групп, в каждой из которых коммутируются q сигналов (п=тд, обычно стремятся к д=р). Тогда количество ключей N=m{q+\)

1 L .

2 I-

Рис. 7.14. Двухступенчатый коммутатор аналоговых сигналов

Л

т

Рис. 7.15. Схема структуры коммутатор - АЦП - обращенный коммутатор

>1

Рис, 7.16, Схема полно доступного, матричного коммутатора

(в каждой измерительной цепи последовательно будут включаться два ключа) а количество элементов управления (при одностороннем управлении ступенями) М=т+д. Количество управляющих элементов может быть уменьшено применением на первой ступени матричного управления, одновременно обслуживающего все т групп (рис. 7.14).

В ИС может возникнуть необходимость создания коммутаторов, обеспечивающих соединение любого из п входов с любым из h выходов. Если эти соединения можно выполнять поочередно путем организации в каждый момент одного канала коммутации (/г=1), то применима схема коммутатор - АЦП- обращенный коммутатор (рис. 7.15).

До сих пор рассматривались коммутаторы, у которых в процессе коммутации организовывался один канал {k=l). Универсальный полнодоступный коммутатор должен позволять организовывать соединение любого сочетания из п входов с любым сочетанием из h> 1 выходов; естественно, что в этом случае kl. Очевидный способ построения полнодоступного коммутатора связан с-применением матричной схемы (рис. 7 16). На рисунке не показаны управляющие элементы; символы ац обозначают состояние ключей на пересечении столбца i и строки / и принимают значение О или 1. Нужно заметить, что в таком устройстве количество ключей N=nh, количество устройств управления М=и-)-H-ft, а в каждом канале (в случае n>h может быть организовано k=h каналов) будет расположен один ключ.

Алгоритмы управления коммутатором

Коммутаторы могут работать по жесткой программе, определяемой заданной коммутационной функцией. Управление его работой может производиться от устройства управления или от импульсов, следующих через заданные интервалы времени и поступающих от внешнего или встроенного в коммутатор генератора. Алгоритм работы коммутатора при равномерной циклической коммутации, начальном состоянии ф(г=0) и управлении от блока управления

L Фо(: = t + 1) 9 ( /) W (t =/г)-1.