Файл: Белицкий В.И. Коммутаторы каналов радиотелеметрических систем учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 72
Скачиваний: 0
В. И. БЕЛИЦКИЙ ■
621.397.5
Б 432
КОММУТАТОРЫ КАНАЛОВ
РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Учебное пособие
А В И К А нм.А.Ф.Можайского
ЛЕНИНГРАДСКАЯ ВОЕННАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ КРАСНОЗНАМЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО
Ленинград—1964
УДК 621.398.695(075.8)
Г О С .П У Б Л И Ч Н А Я |
I |
^ У ! Ю -ТЕ Х Н И Ч ЕС К А Я |
|
К;.:КП И О ТЕКА СССР |
J |
А _ _ _
<% У ' У /
С\ ; '■
Редактор
Р. Т. САФАРОВ
|
Технический редактор Л. Н. Ладынина |
|
||
|
Корректор В. А. Мокиенко |
|
||
Подписано к |
печати 25.11.64 |
Печ. листов 6.75 |
Уч.-изд. листов 6.5 |
|
Зак. 1760 |
Для внутриведомственной продажи |
цена 54 кои. |
Г-492562 |
|
|
Типолитография ЛВИКА имени А. Ф. |
Можайского |
|
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
ных электроннолучевых трубках (типа трохотрон, циклофон и др.) |
|
в комбинации с электронными схемами. Наиболее распространенны |
|
ми являются схемные коммутаторы. Они реализуются на базе |
стан |
дартных электронных схем и элементов (электромеханические реле, |
|
электронные лампы, транзисторы, ферриты и т .п .) . Схемные |
комму |
тирующие устройства, в которых отсутствуют механические |
контак |
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,
обратная |
f , определяет в р е м я |
о п р о с а |
одного ка |
нала Т. |
|
|
|
В практических случаях параметры, |
подлежащие |
контролю с |
|
помощью радиотелеметрических систем (РТС), имеют частотные |
|||
спектры, |
существенно отличные друг от |
друга. Поэтому для ком- |
,,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
о т н о с и т е л ь н о й |
а м п л и т у д н о й |
п о г р е ш - |
я о с т ь ю коммутатора. |
|
|
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
ных шумов к отята тора |
за счет механического трения до единиц |
|||
микровольт. |
|
|
|
|
Полное устранение |
трущихся |
|
|
|
контактов имеет место в меха |
|
|
||
нических коммутаторах, в кото |
|
|
||
рых переключение каналов произ |
|
|
||
водится путем емкостной, индук |
|
|
||
тивной или оптической связи |
|
|
||
между входными и выходными це |
|
|
||
пями. Такие коммутаторы часто |
|
|
||
электрически и конструктивно |
|
|
||
объединяются в один блок с дат |
|
|
||
чиками и модулятором. |
На рис.2 |
|
|
|
представлена схема, поясняющая |
|
Рис.1 |
||
работу бесконтактного механиче |
|
|||
|
|
|||
ского коммутатора с емкостной связью. |
При перемещении подвижной |
|||
пластины I над неподвижными пластинами 2 |
образуются конденса |
|||
|
торы, которые подключаются к ко |
|||
|
лебательному контуру 3. Измери |
|||
|
тельные датчики Д связаны непо |
|||
|
средственно с неподвижными пла |
|||
|
стинами 2 |
таким образом, чтобы |
||
|
изменение |
контролируемого пара |
||
|
метра влекло за собой изменение |
|||
|
емкости, |
образуемой пластинами |
||
|
I и 2 и, следовательно, частоты |
|||
|
колебательного контура 3. Если, |
|||
|
например, генератор 4, связанный |
|||
|
с контуром 3, формирует радиоим |
|||
Рис. 2 |
пульсы, |
то частота заполнения |
||
этих импульсов окажется жестко |
||||
|
связанной с измеряемыми радиотелеметрической системой величи нами.