Измерительные коммутаторы

Основное назначение измерительных коммутаторов – образование между функциональными блоками соединений, обеспечивающих прохождение сигналов в заданных направлениях. Если го­ворить о коммутаторах предназначенных для работы в измерительной части ИИС, то их основное назначение – связывать между собой участки аналоговых измерительных цепей, работающие в параллельном и последовательном режимах. Особенное значение для ИИС представляют измерительные коммутаторы, слу­жащие для переключения аналоговых измерительных сигналов, так как к ним предъявляются требования выполнения коммутационных операций с заданными метрологическими характеристиками.

Рассмотрим погрешности измерительных коммутаторов вначале без учета ЭДС, возникающих в элементах коммутатора. Упрощенная, эквивалентная схема для одного из каналов коммутатора приведена на рис. 4.12. Здесь R_i –внутреннее сопротивление, R_н , – сопротивление нагрузки коммутатора, ∆R_н – изменение последовательного (переходного) сопротивления в одном канале коммутатора,

∆R_ω – изменение шунтирующего сопротивления коммутатора в од­ном канале. При этом неизменяющиеся части последовательного и шунтирующего сопротивлений коммутатора не рассматриваются, так как вносимые ими погрешности могут быть учтены.

Рис. 4.12. Упрощенная эквивалентная схема одного канала измерительного коммутатора

На рис. 4.12 пунктиром обведен рассматриваемый канал коммута­тора. Будем считать, что все каналы коммутатора одинаковы и вы­полняется условие:

(4.1)

При этом относительная погрешность коммутатора

(4.2)

Погрешность коммутатора имеет две составляющие

(4.3)

где δ_n – погрешность из-за изменения последовательного сопротивления∆R_н . При выполнении условия (4.1)

(4.4)

Погрешность, обусловленная изменением шунтирующего сопротив­ления коммутатора

. (4.5)

Например, при и ;

Суммарная минимальная погрешность, вносимая коммутатором, будет при условии

(4.6)

Подставляя в (4.6) значения ∆δ и ∆ω из (4.4) и (4.5), получим

(4.7)

Из (4.7) определим оптимальное сопротивление нагрузки, при котором погрешность коммутатора минимальна (δ_min)

, (4.8)

где

Так, при К=5 ∆R_n=0,1 Ом, ∆R_ω=10⁹ Ом,

В табл. 4.10 приведены ориентировочные значения ∆R_n, ∆R_ωи R_{н опт} при К=3

для контактных и бесконтактных изме­рительных коммутаторов. Минимальные значения ∆R_n имеют кон­тактные коммутаторы с герконами и золочеными контактами или кон­тактами, смоченными ртутью, а наибольшее значения ∆R_ω для бесконтактных коммутаторов на полевых транзисторах и интегральные микросхемы с МОП-структурой.

Таблица 4.10

	∆Rn, Ом	∆Rω, МОм	Rн опт при	δ
Контактные коммутаторы	0,01– 0,1	104– 105	30– 300	10-6– 10-5
Бесконтактные коммутаторы	1– 10	102–103	10–100	10-4–10-3

Как следует из табл. 4.10 лучшие по точности результаты по­лучают с контактными измерительными коммутаторами. Однако такие коммутаторы имеют низкое быстродействие, меньшее количество ком­мутируемых цепей и не работают по заявкам. Бесконтактные измери­тельные коммутаторы на интегральных микросхемах с ключами_, вы­полненными на одном кристалле, имеют лучшие показатели.

На рис. 4.13. приведены схемы контактных коммутаторов, электронных ключей на транзисторах (рис. 4.14) и полевых транзисторах (рис. 4.15) с компенсацией ЭДС и влияния управляющих напряжений Uy на работу коммутатора. Такой измерительный коммутатор состоит из одного распределителя, с которого управляющие канальные напряжения подаются на ключи.

Рис 4.13. Схемы коммутаторов с последовательным (а), параллельным (б) и комбинированным (в, г) включением коммутационных элементов

Характеристики ключей могут быть улучшены, если транзисторные схемы заменить интегральными микросхемами, лучшие бесконтактные коммутаторы имеют собственные шумы и остаточные ЭДС в контактных измерительных коммутаторах на 1-2 десятичных порядка меньше, однако другие показатели, такие, как быстродействие и надежность, значительно хуже. Так, быстродействие коммутаторов с герконами опре­деляется временем срабатывания и отпускания реле. Минимальное время срабатывания реле с герконами составляет 1,5–2,5 мс и зависит, главным образом от дребезга контактов при их замыкании. Время отпускания реле составляет 0,5 – 1 мс. Число срабатываний геркона, определяющее его надежность, составляет 10¹⁰–10⁹.

В настоящее время многочисленные фирмы выпускают различные коммутаторные модули. На рис. 4.16 и 4.17 показаны общие виды коммутаторных модулей SCXI и PXI компании NI, а в табл. 4.11 и 4.12 их конфигурации.

Таблица 4.11

Таблица 4.12

Рис. 4.14. Схема электронного ключа на транзисторах

Рис. 4.15. Схема электронного ключа на полевых МОП-транзисторах

Рис. 4.16. Конфигурации коммутационных модулей SCXI компании National Instruments (NI)

Рис. 4.17. Конфигурации коммутационных модулей PXI компании National Instruments (NI)

Контроллеры

Контроллер представляет собой микропроцессорную систему, адаптированную к задачам, управления объектом. Контроллер содержит те же узлы, что и ЭВМ, но отличие состоит в более развитых внешних устройствах ввода-вывода, представляющих собой средства сопряжения с объектом и требующих большого числа каналов ввода-вывода (или портов), Выделим ряд отличительных особенностей, которыми должна обладать ЭВМ для осуществления функций контроллера:

· наличие ограниченного набора четко сформулированных задач; иными словами, при проектировании контроллеров учитывается их функциональное назначение осуществлять конкретные задачи управления;

· работа в реальном масштабе времени, т. е. обеспечение минимального времени реакции на изменение внешних условий;

· наличие развитой системы внешних устройств ввода-вывода, связанное с большим разнообразием характеристик датчиков, исполнительных механизмов и их количеством;

· решение основных функциональных задач и выработка управляющих воздействий;

· высокие требования по надежности и живучести, связанные с продолжительностью работы и сложными условиями эксплуатации;

· обеспечение автоматического режима работы или режима с участием человека;

· реализация функций диагностирования и тестирования как контроллера, так и состояния объекта управления.

Особенно важны контроллеры, представляющие собой программируемые, компьютеры на одном кристалле. Несколько компаний (Hitachi, Intel, Microchip Technology, Motorola, Old Electric, Philips, Siemens, STMicroelectronics и Texas Instruments) предлагают семейства контроллеров с различными возможностями. Лучшие компоненты в этих семействах сегодня имеют высокую производительность (с частотой тактового генератора свыше 10 МГц), значительный объем внутриплатной памяти, несколько аналоговых входных портов и множество цифровых входов и выходов. Такие контроллеры позволяют реализовать несколько важнейших функций по месту расположения датчика, таких как управление электропитанием, сбор и анализ данных, хранение и передача данных и информации.

Проведем небольшой обзор контроллеров различных назначений компании National Instruments: встраиваемые контроллеры (рис. 4.18, рис. 4.19) NI PXI-8186 RT, NI PXI-8176 RT, NI PXI-8175 RT, NI PXI-8145 RT: производительность реального времени; независимая надежная работа; процессор Intel Pentium 4 до 2,2 ГГц; PID регулятор с частотой цикла до 40 кГц; Ethernet интерфейс для программирования и передачи данных.

Рис. 4.18. Встраиваемые контроллеры сети RT

Рис. 4.19. Контроллер и преобразователь GBIP – RS-232

Контроллер и преобразователь NI GBIP-232CT-A преобразует RS-232 порт в GBIP контроллер или интегрирует RS-232 устройство в GBIP систему, а NI-488.2 для Windows/DOS. Примером периферийного контроллера, выполненного на базе 8-разрядной микроЭВМ, может служить ПК, принципиальная схема которого представлена на рис. 4.20. Кон6троллер содержит однокристальную микроЭВМ (Z86E08), трехканальный АЦП (AD7706) с последовательным интерфейсом, опорный источник AD780 со схемой компенсации температурной погрешности, оптронные ключи (TLP521-1) для гальванической развязки силовых цепей и линии связи с групповым контроллером, стабилизатор напряжения +5В. Опорные частоты микроЭВМ и АЦП стабилизированы кварцевыми резонаторами (12 и 1 МГц, соответственно).

Рис. 4.20. Контроллер на базе 8-разрядной однокристаллической микро-ЭВМ

Выпрямители питания силовых цепей и периферийного контроллера размещены на отдельной ПП совместно с силовыми транзисторами, управляющими коммутационными аппаратами нагревателей верхней и нижней подогревательных плит пресса и приводом пресса.

Множество других контроллеров, выполняющих различные функции можно найти в каталогах National Instruments – тел/факс: (495) 783-6851 – ni.russia@ni.com – ni.com/Russia.

Иногда с датчиками используют чипы с цифровыми сигнальными процессорами или программируемыми пользователем логическими матрицами, а не контроллеры более общего назначения. более крупные компьютеры, используемые в качестве серверов или в маршрутизаторах, критичны к условиям работы кабельных или беспроводных сетях. Поэтому сетевое восприятие информации а значительной степени зависит от используемых контроллеров.

В перспективе намечается использование, так называемых, интеллектуальных контроллеров на основе нечеткой логики – это позволит управлять плохо управляемыми или плохо формализуемыми объектами.