книги из ГПНТБ / Белицкий В.И. Коммутаторы каналов радиотелеметрических систем учебное пособие

3

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных параметров многоканальных систем с вре­ менным разделением каналов является информативность, определяе­ мая числом каналов, частотой опроса и точностью. Увеличение чис­ ла одновременно измеряемых параметров, повышение точности изме­ рений и потребность в определении переходных процессов и изме­ рении быстро меняющихся параметров требуют создания телеметри­ ческой системы с высокой информативностью.

Информативность может быть в первую очередь увеличена за счет повышения частота опроса FK . Отсюда возрастает роль ком­ мутирующих устройств, обладающих повышенным быстродействием.

Увеличение частота опроса и числа каналов приводит к вытес­ нению малоскоростных механических коммутаторов и замене их элек­ тронными.

Коммутирующие устройства электроннолучевого и светолучевого типа обладаю? достаточно высокой скоростью коммутации, однако их использование в бортовых системах затруднено из-за невысокой надежности, недостаточной гибкости, увеличенных габаритов и не­ обходимости дополнительного усиления сигналов после коммутатора.

Электронные коммутаторы, являющиеся в настоящее время основ­ ными, состоят из распределителей импульсов и каскадов временной селекции (схем совпадения).

Наиболее распространенными схемами распределителей импуль­ сов являются кольцевые, выполненные на ждущих мультивибраторах, триггерных ячейках, многофазных мультивибраторах, ферритовых и ферротранзисторных ячейках, и матричные, состоящие в основном из этих же элементов.

Каскады временной селекции представляют собой определенного рода схемы совпадения и выполняются обычно на диодах и триодах.

Описанию электронных коммутаторов и их элементов посвящен целый ряд работ [ l , 8, 9, 13, 16, 21, 25], среди которых виде-

4

ляются книги Фомина А.Ф. [25Ц и Михайловского В.Н. и Свенсо­ на А.Н. [16]. Однако вопросам инженерного проектирования схем данного класса в литературе уделяется недостаточное внимание. Это особенно относится к электронным коммутаторам, выполненным на полупроводниковых приборах.

Настоящее пособие предназначено для слушателей,специализи­ рующихся в области радиотелеметрии, и может быть использовано ими при дипломном и курсовом проектировании. Главной целью при написании пособия являлась выработка рекомендаций по расчету наиболее распространенных и перспективных схем электронной ком­ мутации.

Изложенный в пособии материал может быть разделен на две основные части. В первой части дается общая характеристика ме­ ханических, электроннолучевых и электронных коммутаторов. По­ скольку наиболее перспективными являются полупроводниковые элек­ тронные коммутаторы, их рассмотрение проводится более подробно. При описании схем даются основные расчетные соотношения.

Вторая часть пособия посвящена инженерному проектированию полупроводниковых электронных коммутаторов. В первом разделе излагаются вопросы проектирования распределителей импульсов, во втором - схем временной селекции.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАКОММУТАТОРОВ КАНАЛШ

§ I . КЛАССИФИКАЦИЯ КОММУТАТОРОВ

Мэммутаторы радиотелеметрических систем выполняют задачу временного уплотнения каналов, суть которого заключается в по­ очередном периодическом и синхронном подключении источников сигналов к общеканальным элементам системы, в которых произво­ дится их преобразование.

Существующие коммутаторы делятся на механические, электрон­ нолучевые и так называемые схемные.

В механических коммутаторах уплотнение каналов осуществляет­ ся путем поочередного замыкания и размыкания контактирующих по­ верхностей, осуществляемого с помощью определенных механических рычагов. Примером механического коммутатора может служить шаго­ вый искатель.

' Электроннолучевые коммутаторы конструируются на специаль­

ты, называются э л е к т р о н н ы м и к о м м у т а т о ­ р а м и .

Обычно электронный коммутатор состоит из распределителя импульсов и каскадов временной селекции. Распределитель им­ пульсов вырабатывает Tajqno последовательность импульсов, что начало последующего импульса совпадает с концом предыдущего. Эти импульсы поочередно открывают каскады временной селекции, связанные с источниками информации.

6

По режиму работа коммутаторы (распределители) делятся на шаговые, стартстошше и автоколебательные. В шаговом режиме очередное переключение каналов осуществляется только при по­ ступлении на коммутатор специального внешнего воздействия.

Стартстопные, или ждущие, устройства начинают работать также лишь после внешнего воздействия, однако этого воздействия достаточнЪ для полного цикла работа. Наконец, в коммутаторах с автоколебательным режимом работа переключение каналов может происходить автоматически, без управляющих внешних сигналов.

По методу воздействия на электрические цепи коммутаторы делятся на контактные и неконтактные. В контактных коммутато­ рах переключение каналов осуществляется путем замыкания и раз­ мыкания механических контактов. Неконтактные коммутатор! эту же операцию выполняют с помощью скачкообразного изменения на­ пряжений и токов.

В ряде случаев коммутатор может выполнять не только функ­ ции уплотнителя каналов, но и другие функции, например управ­ ления интенсивностью или фазой луча электроннолучевого комму­ татора для осуществления амплитудно-импульсной или времяимпульсной модуляции.

§ 2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТР ЖМОТАТОРА КАНАЛОВ

Коммутатор каналов характеризуют следующие основные пара­ метр!:

I . Число каналов А/ . определяемое количеством входных или выходных цепей, поочередно подключаемых к общеканальным элемен­ там системы. В радиотелеметрических системах с временным раз­ делением каналов число А/ , как правило, несколько превышает число телеметрируемых параметров вследствие того, что для пере­ дачи различного рода служебных команд (маркерных импульсов, синхронизирующих сигналов и т.П .) также необходимо отводить ряд каналов системы. На практике для увеличения полосы про­ пускания некоторых каналов применяют запараллеливание входов (выходов) коммутатора. И наоборот, для более рационального ис­ пользования каналов с высокой полосой пропускания часто не­ сколько медленно меняющихся параметров передаются по одному каналу. Осуществляется это с помощью программно-коммутирующих устройств, являющихся обычными механическими или электронными коммутаторами.

7

2. Частота коммутации каналов FK . или частота опроса. Этот параметр характеризует скорость подключения данного кана­ ла к общеканальным элементам. Если все каналы системы опраши­ ваются с одной и той же частотой, то частота коммутации опре­ деляет число полных циклов работа коммутатора в единицу вре­ мени. В этом случае число каналов N , умноженное на частоту коммутации, характеризует информативность, или скорость отбора данных f . Очевидно, что скорость отбора данных равна частоте следования импульсов в общеканальных элементах, а величина,

,,мутации каналов, в которые заводятся эти параметры, требуются разные частоты опроса.

3. Время переключения коммутатора t n , определяемое чада всего как промежуток времени, необходимый для того, чтобы при скачкообразном изменении напряжения на входе коммутатора вы­ ходной сигнал изменился от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения. Время переключения является одним из наиболее важных параметров коммутатора, поскольку определяет его максимальное быстродействие и может существенно сказаться на точности всей радиотелеметрической системы.

4 . Функция передачи коммутатора, характеризуемая отноше­ нием выходных напряжений к входным. В идеальном коммутаторе функция передачи всегда неизменна. В реальных системах эта величина меняется в зависимости от таких факторов, как ампли­ туда входного сигнала и параметр! входных и выходных устройств. Наибольшее отклонение функции передачи от нормы называется

5. Надежность коммутатора. Единым критерием оценки надеж­ ности коммутаторов может служить частота отказов. Но этот кри­ терий является слишком общим. Надежность полупроводниковых коммутаторов, которым в основном посвящена данная книга,может быть охарактеризована числом деталей на один выход схемы поскольку надежность полупроводниковых элементов близка к на­ дежности конденсаторов и сопротивлений.

8

6. Экономичность схемы, имеющая существенное значение при проектировании бортовых РТС, где энергетический ресурс системы весьма ограничен.

7. Работоспособность коммутатора при различных отклонениях условий работа от нормальных (ускорениях, вибрациях, измене­ ниях температуры и т .п .).

Из других важных параметров коммутатора следует отметить такие, как стоимость, габариты и вес, систему калибровки, уро­ вень собственных шумов, характер входных и выходных сигналов, сложность и др.

При проектировании коммутаторов одновременно выбрать все параметры оптимальными не удается. Поэтому следует прежде все­ го удовлетворить тем требованиям к кошу та тору, которые являют­ ся наиболее важными.

§ 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОММУТАТОРЫ

До недавнего времени механические коммутаторы имели весьма широкое распространение. Полная идентичность каналов, малые га­ бариты, высокая линейность функции передачи, простота калибров­ ки - таковы основные преимущества устройств данного типа. Одна­ ко в последние годы все острее стал ощущаться такой недостаток механических коммутаторов, как малая скорость переключения. Поскольду число каналов механического коммутатора обычно не превы­ шает 50 - 60, а скорости вращения подвижных частей ограничены частотой 60 - 80 гц, информативность телеметрической системы с механическим коммутатором не превышает 3 - 5*I03 измерений в секунду. К другим недостаткам этих коммутаторов следует отне­ сти ограниченный срок службы (десятки часов), высокий уровень собственных шумов, низкую стабильность частоты коммутации и др.

В настоящее время механические.коммутаторы используются в основном как элемент дополнительной коммутации медленно меняю­ щихся сигналов.

Конструктивное оформление механического коммутатора может быть самым различным. Наибольшее применение находят коммути­ рующие устройства со скользящим контактом. Типичным примером таких систем является шаговый искатель [16].

С точки зрения скорости переключения более эффективными оказываются кулачковые механические коммутаторы, в которых размыкание и замыкание контактов осуществляется с помощью ку­

9

лачкового механизма. Пример такого коммутатора приведен на рис.1. При вращении ротора коммутатора I его кулачок через толкатели воздействует на подвижные контакты устройства 2, последовательно замыкая их на пружинящие неподвижные контак­ ты 3. В течение одного канального интервала замкнутые контак­ ты 2 и 3 остаются неподвижными, что снижает уровень собствен­

связанной с измеряемыми радиотелеметрической системой величи­ нами.