Ява

Обработка сигналов. Коммутация и управление сигналами

Стереоусилитель редко используется только с однимисточником сигнала, для оперативного переключения различных источников сигнала желательно чтобы у стереоусилителя было несколько переключаемых входов.

В простейшем случае входы можно переключать механическим переключателем. Но надежность механического переключателя весьма относительна, его контакты корродируют и в какой то момент возникают шумы, часто связанные с механическим воздействием.

В самом плохом случае даже может возникнуть акустическая обратная связь, при которой вибрации от работы акустических систем передаются изношенному механическому переключателю, контакты которого дребезжат.

В этом смысле, электронный переключатель значительно надежнее. На рисунке показана схема простого электронного переключателя трех входов стереоусилителя, с квазисенсорным управлением и светодиодной индикацией включенного входа.

Схема селектора каналов

Схема состоит из устройства управления, выполненного на микросхеме D1 и электронного переключателя на микросхеме D2.

Рис. 1. Принципиальная схема электронного коммутатора входов для стерео усилителя мощности.

Схема на микросхеме D1 представляет собой широко известную схему трехфазного RS-триггера, реализованную на микросхеме К561ЛА7. Изменение состояния триггера осуществляется кнопками S1-S3, подающими на его три входа логические нули (активный уровень - логический ноль). Соответственно, есть и три выхода (активный уровень тоже - ноль).

Трехфазный триггер может принимать три состояния, в каждом из которых логический ноль есть только на одном из его выходов. Соответственно, на выходе элемента D1.1, D1.2 или D1.3. Состояние триггера индицируется светодиодами HL1-HL3, подключенными к его выходам через транзисторные ключи VТ1-VТЗ.

Ключи выполнены на транзисторах р-п-р структуры, поэтому они открываются логическими нулями, поступающими на их базы с выходов логических элементов через резисторы R4-R6.

Электронный переключатель сделан на микросхеме D2 типа К561КП1. Микросхема содержит два переключателя на два направления и четыре положения, управляемые цифровым кодом, поступающим на управляющие входы. Код управления цифровой и двухразрядный. То есть, всего четыре положения «00», «01», «10» и «11».

Соответственно, открываются каналы «0», «1», «2» и «3». Для управления переключателем берутся логические уровни только с двух выходов трехфазного триггера на D1. В результате, в различных состояниях триггера на D1 получаются коды «01», «10» и «11».

Этого достаточно для управления микросхемой К561КП1 для переключения на три положения («1», «2» и «3»).

Входные сигналы от разных трех источников сигналов поступают на парные разъемы Х1, Х2 и ХЗ. Каждый из них представляет собой пару коаксиальных гнезд «тюльпанов», сейчас широко используемых в различной аудио и видео технике.

Выходным является такой же разъем Х4, но на практике, если переключатель входов будет размещен внутри стереоусилителя, этой пары Х4 может и не быть, просто с выводов 13 и 3 сигнал по экранированным кабелям поступает на вход предварительного УНЧ.

Детали и подключение

Микросхема К561КП1 может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Но, при коммутации аналогового сигнала нужно чтобы он находился между полюсами питания, желательно посредине (при этом будут минимальные искажения аудиосигнала).

Поэтому, второй вывод минуса питания ключей (вывод 7), который обычно соединяется с общим минусом питания, здесь соединяется с отрицательным источником питания (-5V). Таким образом, питание переключателя двухполярное.

С этим нет никаких проблем, так как предварительные УНЧ обычно делают по схемам на ОУ, также, питающимся от двуполярного источника. Если напряжение источника более ±7V, нужно на схему подавать питание через понижающие стабилизаторы, например, на интегральном стабилизаторе 7805 сделать источник +5V, а отрицательный на простои параметрическом стабилизаторе из стабилитрона на 4,7-5,6V и резистора. Светодиоды HL1-HL3 - любые индикаторные, например, АЛ307 или их аналоги.

Вывод напрашивается сам: нужно превратить наш однолучевой осциллограф в двухлучевой-тогда на каждом луче можно наблюдать свой сигнал. Устройства, позволяющие осуществить подобное желание, называют электронным коммутатором. С некоторыми вариантами электронного коммутатора мы и познакомимся.

Итак, электронный коммутатор. Он подключается к входному щупу осциллографа, а исследуемые сигналы поступают на входы (их два) коммутатора. С помощью электроники коммутатора сигналы с каждого входа поочередно подаются иа осциллограф. Но линия развертки осциллографа для каждого сигнала смещается: для одного сигнала, окажем, первого канала, - вверх; для другого (второго канала) - вниз. Иначе говоря, коммутатор «рисует» на экране две линии развертки, на каждой из которых виден свой сигнал. В итоге появляется возможность визуально сравнивать сигналы по форме и амплитуде, что позволяет проводить самые разнообразные испытания аппаратуры, выявлять каскады, вносящие искажения.

Правда, линии разверток теперь не сплошные, как у однолучевого осциллографа, а прерывистые, составленные из черточек, подаваемых импульсами на вход осциллографа с электродного коммутатора. Но частота следования импульсов сравнительно большая- 100 кГц, поэтому разрывов в линиях развертки глаз не замечает, и они смотрятся, как непрерывные.

Вот теперь, когда вы получили некоторое представление о принципе работы электронного коммутатора, пора познакомиться с первым вариантом его схемы - она приведена на рис. 24. Исследуемые сигналы подают на зажимы ХТ1, ХТ2 (это первый канал) и ХТ5, ХТ6 (второй канал). Параллельно каждой паре зажимов подсоединены переменные резисторы R1 и R10-регуляторы уровня сигнала, поступающего в итоге на вход осциллографа.

С движка каждого резистора сигнал подается через развязывающий (по постоянному току) оксидный конденсатор на усилительный каскад, выполненный на транзисторе VT1 для первого канала и VT2 для второго. Нагрузка обоих каскадов общая - резистор R6. С него сигнал поступает (через зажимы ХТЗ и ХТ4) на вход осциллографа.

Усилительные каскады коммутатора работают поочередно - когда открыт транзистор первого канала, транзистор второго закрыт, и наоборот. Поэтому на нагрузке появляется поочередно сигнал либо источника, подключенного к зажимам первого канала, либо источника, подключенного к зажимам второго канала.

Поочередное включение каскадов осуществляет мультивибратор, выполненный на транзисторах VT3 и VT4, к коллекторам которых подключены эмиттерные цепи транзисторов усилительных каскадов.
Как вы знаете, во время работы мультивибратора его транзисторы поочередно открываются и закрываются. Поэтому, когда открыт транзистор VT3, через его участок коллектор-эмиттер оказывается соединенным с общим проводом (плюс источника питания) резистор R4, а значит, подано питание на транзистор VT1 первого канала. При открывании же транзистора VT4 питание подается на транзистор VT2 второго канала. Переключаются каналы с достаточно большой частотой - около 80 кГц. Она зависит от номиналов деталей времязадающих цепей мультивибратора -C3R12 и C4R13.

Но даже поочередное включение усилительных каскадов еще не обеспечивает две линии развертки, и оба сигнала будут видны на одной линии, правда, в таком хаотическом виде, что различить их практически не удастся. Нужно задать каждому каскаду свой режим работы по постоянному току. Для этого и введен переменный резистор R5 («Сдвиг»), с помощью которого можно изменять ток базовой цепи транзистора. К примеру, при перемещении движка резистора в сторону левого, по схеме, вывода ток базы транзистора VT1 будет возрастать, a VT2 падать. Соответственно будет возрастать и ток коллектора транзистора VT1, а значит, падение напряжения на общей коллекторной нагрузке (резисторе R6), «когда открыт транзистор. Иными словами, на резисторе R6 при открытом транзисторе VT1 будет одно напряжение, а при открытом транзисторе VT2- другое. Поэтому на вход осциллографа будет поступать импульсный сигнал (рис. 25, а), верхняя площадка которого будет принадлежать, скажем, первому каналу (т. е. соответствовать открытому состоянию транзистора VT1), а нижняя площадка - второму.

Длительность фронта и спада сигнала весьма коротка по сравнению с длительностью самого сигнала, поэтому при той развертке, на которой будете рассматривать сигналы ЗЧ, на экране осциллографа выделятся две четкие линии развертки (рис. 25, б), которые можно сдвигать или раздвигать относительно друг друга переменным резистором R5.

Достаточно теперь подать на вход первого канала сигнал ЗЧ- и верхняя линия развертки отразит его форму (рис. 25, в). А при подаче такого же сигнала (кратного по частоте) на вход второго канала нарушится «спокойствие» второй линии (рис. 25, г). Размах изображения того или иного сигнала можно регулировать соответствующим переменным резистором (R1 - для первого канала и R10-для второго).

Все транзисторы коммутатора могут быть П416Б, МП42Б или другие аналогичной структуры, рассчитанные на работу в импульсных режимах и обладающие возможно большим коэффициентом передачи тока. Переменные резисторы - СП-I, постоянные - МПТ-0,25 или МЛТ-0,125, конденсаторы - К50-6 (CI, C2) и КЛС, МБМ (СЗ, С4). Источник питания - батарея 3336, выключатель питания SA1 и зажимы ХТ1-ХТ6 - любой конструкции.

Часть деталей коммутатора размещена на плате (рис. 26) из фольгированного стеклотекстолита, а часть - на стенках и лицевой панели корпуса (рис. 27).

Настало время проверить коммутатор. Поможет здесь, конечно, наш осциллограф. Его земляной щуп подключите к общему проводу (зажим ХТ4), а входной - к коллектору любого транзистора мультивибратора (VT3 или VT4). Режим работы осциллографа ждущий, длительность развертки - 5 мкс/дел., вход - закрытый. Надеемся, что эти указания уже понятны вам и позволят нажать на осциллографе нужные кнопки.
Включите питание, коммутатора. Сразу же на экране появятся импульсы мультивибратора (рис. 28, а) амплитудой около 4,5 В,
следующие с частотой приблизительно 80 кГц (длительность периода- примерно 12,5 мкс). Такой же сигнал должен быть и на коллекторе второго транзистора мультивибратора.

После этого переключите входной щуп осциллографа на выход коммутатора (зажим ХТЗ), установите движки переменных резисторов R1 и R10 в нижнее по схеме положение, а резистора R5 - в любое крайнее. Чувствительность осциллографа придется установить равной 0,1 В/дел., чтобы на экране появился импульсный сигнал (рис. 28, б), напоминающий сигнал мультивибратора. Это результат поочередного открывания транзисторов VT1 и VT2 при разных напряжениях смещения на их базах.
Медленно перемещайте движок переменного резистора R5 в другое крайнее положение. Верхние н нижние площадки импульсов начнут сближаться, и вскоре на экране появится изображение (рис. 28, в), свидетельствующее о равенстве режимов транзисторов. Образуется как бы один луч осциллографа, составленный из площадок-длительностей открытого состояния транзисторов («всплески» между ними - результат переходных процессов при открывании и закрывании транзисторов). При дальнейшем перемещении движка резистора площадки импульсов начнут расходиться. Правда, по сравнению с первоначальным положением, верхние площадки будут «принадлежать» другому каналу.

Теперь отпустите кнопку «МС-МКС» осциллографа, установив тем самым примерно в тысячу раз большую длительность развертки. На экране появятся две линии (рис. 28, г) -два луча. Верхний луч должен «принадлежать» первому каналу, нижний - второму. Корректируют такое положение переменным резистором R5.

Начала лучей могут немного подергиваться из-за неустойчивости синхронизации. Чтобы исключить это явление, нужно либо установить ручку «СИНХР.» в среднее положение, соответствующее нулевому сигналу синхронизации, либо переключить осциллограф в режим внешнего запуска (нажав кнопку «ВНУТР. - ВНЕШН.»).

Далее установите движок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение и подайте на зажимы ХТ1, ХТ2 сигнал с генератора ЗЧ (скажем, частотой 1000 Гц). Амплитуда сигнала должна быть не менее 0,5 В. Сразу же «размоется» верхний луч (рис. 29, а). Если же окажется «размытым» нижний луч, поменяйте лучи местами переменным резистором R5. Перемещением движка резистора R1 подберите размах «дорожки» равным 2... 3 деления. Переключателями длительности развертки осциллографа и ручкой длины развертки постарайтесь добиться на экране устойчивого изображения нескольких синусоидальных колебаний (рис. 29,6). Сделать это не так просто, поскольку синхронизации практически нет и ее трудно осуществить - ведь на вход осциллографа поступает несколько сигналов (импульсный и синусоидальный) и развертка не в состоянии выбрать какой-нибудь из них.

Но тем не менее способы получения устойчивого изображения есть. Во-первых, добившись предварительно в автоматическом режиме появления изображения колебаний, переводят развертку в ждущий режим с внутренней синхронизацией (кнопка «ВНЕШН. - ВНУТР.» отпущена) и более точным подбором уровня синхронизации сигнала ручкой «СИНХР.» (обычно ее приходится устанавливать вблизи среднего положения) добиваются устойчивого изображения.

Второй способ заключается в том, что развертку синхронизируют внешним сигналом амплитудой не менее 1 В от генератора ЗЧ, с которым предполагается проверять аппаратуру. О подобном способе синхронизации мы уже рассказывали, надеемся, что вы сможете правильно нажать нужные кнопки и подать сигнал на гнездо «ВХОД X».

Если же на второй канал тоже подать сигнал ЗЧ, например, соединив перемычкой зажимы ХТ1 и ХТ5, «заработают» оба луча осциллографа (рис. 29, в). Попробуйте теперь изменять амплитуду сигнала переменными резисторами R1 и R10, смещать линии развертки переменным резистором R5. Вы убедитесь, что этими регулировками можно не только устанавливать желаемый размах
изображений, но и подводить изображения друг к другу настолько, что станет удобно сравнивать их форму (рис. 29, г).

И еще один совет. Чтобы можно было рассматривать сигналы небольшой амплитуды, нужно переменным резистором R5 максимально сблизить лучи и перейти на более чувствительный диапазон -0,05 В/дел. или даже 0,02 В/дел. Правда, при этом могут несколько «размыться» линии развертки из-за шумов транзисторов и различных наводок.

Не менее интересен второй вариант коммутатора, в котором линии разверток сплошные, а не составленные из площадок импульсов. Достигается это тем, что коммутатор как бы отклоняет линию развертки то вверх, то вниз, предоставляя ее для просмотра сигнала то первого канала, то второго. Поскольку частота этих отклонений сравнительно большая, глаз не успевает замечать их и создается впечатление, что на экране два независимых друг от друга луча.

Какова идея этого варианта? На задней стенке осциллографа есть гнездо, на которое выведено пилообразное напряжение генератора развертки. Вот оно н будет управлять коммутатором: па время одного хода «пилы» откроется транзистор усилительного каскада первого канала, на время другого хода-транзистор второго канала и т. д. Удобство такого способа коммутации, прежде всего, в том, что он позволяет рассматривать колебания значительно более широкой полосы частот по сравнению с предыдущим вариантом. В сказанном нетрудно убедиться, собрав, опробовав и сравнив в работе оба коммутатора.

К сожалению, коммутатор второго варианта несколько сложнее, поскольку в него добавляется преобразователь пилообразного напряжения в импульсное, выполненный на трех транзисторах. Да и мультивибратор заменяется другим переключающим устройством- триггером, содержащим большее число радиоэлементов.

Схема изменяемой части коммутатора приведена на рис. 30. На транзисторах VT3 и VT4 собран триггер, который обладает двумя устойчивыми состояниями. В зависимости от состояния, в котором в данный момент находится триггер, к общему проводу коммутатора оказывается подключенным либо резистор R4, либо R7, а значит, открыт входной транзистор либо первого, либо второго канала - как н в предыдущем варианте коммутатора.

Для перевода триггера из одного состояния в другое на его вход (точка соединения конденсаторов СЗ, С4) должен поступать короткий импульс положительной полярности. Такой импульс снимается с триггера Шмитта, выполненного на транзисторах VT6 и VT7. В свою очередь, триггер Шмитта подключен к усилителю-ограничителю, собранному на транзисторе VT5 - на его вход (зажим ХТ7) и подается пилообразное напряжение с осциллографа. Причем для нормальной работы всего формирователя импульсов на зажим ХТ7 можно подавать сигнал амплитудой от 0,5 до 20 В. «Излишки» сигнала ограничиваются резистором R17, поэтому ток эмиттерного
перехода транзистора VT5 не превышает допустимого во всем диапазоне указанных амплитуд сигнала.
Все транзисторы дополнительного устройства могут быть такие же, что и в предыдущем коммутаторе, диоды - любые из серии Д9, конденсаторы - КЛС (СЗ, С4), КМ, МБМ (С6), резисторы - МЛТ-0,25 или МЛТ-0,125.

Чертеж печатной платы для этого варианта коммутатора приведен на рис. 31, Конструктивное оформление коммутатора остается прежним, за исключением того, что на задней стеике корпуса устанавливают дополнительный зажим ХТ7, который соединяют проводником с гнездом иа задней стенке осциллографа.

Проверку этого коммутатора начинают с контроля пилообразного напряжения на зажиме XT7. Для этого «земляной» щуп осциллографа подключают, как и прежде, к зажиму ХТ4, а входным касаются зажима ХТ7 (осциллограф работает в автоматическом режиме с открытым входом, начало развертки устанавливают в начале нижнего левого деления шкалы). При чувствительности 1 В/дел. в крайнем правом положении ручки регулировки длины развертки на экране появится изображение одного пилообразного колебания в виде наклонной прямой линии (рис. 32, а). Такое изображение будет сохраняться при установке любой длительности развертки.

Когда же будете перемещать ручку регулировки длины развертки в другое крайнее положение, длина наклонной линии станет уменьшаться и достигнет минимального значения (рис. 32,6).
По масштабной сетке вы сможете определить амплитуду пилообразного напряжения при крайних положениях ручки указанной регулировки - 3,5 В и 1 В.

Затем переключите входной щуп осциллографа на вывод коллектора транзистора VT7 (или на точку соединения конденсаторов СЗ и С4), а сам осциллограф переключите в режим закрытого входа и переместите линию развертки и а середину масштабной сетки. На экране должен появиться положительный импульс (рис 32, в), изображение которого в делениях масштабной сетки будет оставаться стабильным при изменении длительности в широких пределах, а также длины ее линии. Если же при изменении длины развертки, а значит, амплитуды входного сигнала на зажиме ХТ7, импульс будет пропадать, следует подобрать точнее резистор R18.

При больших длительностях развертки (10, 20 и 50 мс/дел.) будет наблюдаться искажение сигнала (рис. 32, г), свидетельствующее о дифференцировании импульса во входных цепях осциллографа из-за недостаточной емкости разделительного конденсатора. Выход здесь простой - переключить осциллограф в режим открытого входа, а входной щуп подключить к исследуемой цепи через бумажный конденсатор емкостью 1...2 мкФ,

После этого точно так же щуп с конденсатором подключают к выходному зажиму ХТЗ и наблюдают на экране две линии развертки, как и с предыдущим коммутатором. Чувствительность осциллографа устанавливают равной 0,1 В/дел. Дальнейшая работа с коммутатором не отличается от ранее описанной.

Возможно, вы захотите удостовериться в поочередном переключении линий развертки. Тогда установите кнопками осциллографа самую большую длительность - 50 мс/дел. и поверните ручку длины развертки в крайнее правое положение. Вы увидите медленно перемещающуюся точку то по траектории верхней линии развертки, то по траектории нижней линии.

Не меньший интерес представляют коммутаторы на микросхемах. На рис 33, например, приведена схема простейшего коммутатора на одной микросхеме, разработанного курским радиолюбителем И. Нечаевым. Правда, коммутатор обладает сравнительно низким входным сопротивлением, что ограничивает возможности его применения. Тем не менее, он заслуживает внимание своей простотой и интересным принципом действия.

На элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы собран генератор прямоугольных импульсов, следующих с частотой около 200 кГц. Элементы DD1.3 и DD1.4 работают инверторами и позволяют согласовать выходное сопротивление генератора с сопротивлением электронных ключей, управляющих прохождением сигналов через каналы коммутатора, а также обеспечить соответствующую развязку между каналами.

С выходов инверторов импульсы (они противофазны) генератора поступают через резисторы R4-R7 на ключи, выполненные на диодах VD1-VD4 для первого канала и на днодах YD5-VD8 - для второго. Если, к примеру, на выходе элемента DD1.3 будет уровень логической 1, а в это время на выходе элемента DD1.4 - уровень логического 0, через резисторы R5, R7 и дноды VD5-VD8 потечет ток. Ключ на этих диодах окажется открытым, сигнал с гнезд разъема XS2 попадет на гнезда разъема XS3, к которым подключаются щупы входа X осциллографа. В то же время ключ на диодах VDl-VD4 будет закрыт, сигнал с входных гнезд разъема XS1 на осциллограф не попадет.
Когда логические уровни на выходах элементов DD1.3 и DD1.4 изменятся, к осциллографу попадет сигнал, поступающий иа разъем XS1. Амплитуду сигнала, поступающего с входных разъемов XS1 и XS2 на осциллограф, можно регулировать переменными резисторами R1 и R2. Расстояние между «линиями развертки», создаваемыми коммутатором, регулируют переменным резистором R9. При перемещении движка резистора вверх по схеме эти линии расходятся, и наоборот.

Чтобы максимально подавить помехи от генератора импульсов, проникающие на входные и выходные цепи коммутатора, параллельно источнику питания (конечно, при замкнутых контактах выключателя SBI) включена цепочка из оксидных конденсаторов С2, СЗ и подстроечного резистора R10- она создает искусственную среднюю точку.

Все диоды могут быть, кроме указанных на схеме, Д2Б-Д2Ж. Д9Б-Д9Ж, Д310, Д311, Д312. Резисторы Rl, R2, R9, R10 -типа СПО, остальные -МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25. Конденсатор С1 - БМ, ПМ, КЛС или КТ, оксидные конденсаторы С2, СЗ-К50-3, К50-6, К50-12. Кнопочный выключатель - П2К с фиксацией положения. Разъемы - любой конструкции, например, используемые в телевизорах в качестве антенных. Источник питания - батарея 3336 либо три последовательно соединенных элемента 316, 332, 343.

Часть деталей смонтирована на печатной плате (рис. 34), прикрепленной к крышке пластмассового корпуса (рис. 35) размерами примерно 40X70X95 мм, источник питания размещен на дне корпуса, а разъемы - на боковых стенках.

Налаживают коммутатор так. Движки резисторов Rl, R2 и R9 устанавливают вначале в нижнее по схеме положение и подключают к разъему XS3 входные щупы осциллографа. Включив коммутатор, перемещением движка резистора R10 добиваются минимального уровня помех на экране осциллографа (его чувствительность желательно при этом установить возможно большую). После этого можно подавать на разъемы XS1 и XS2 контролируемые сигналы, регулировать их размах на экране осциллографа переменными резисторами Rl, R2 и «раздвигать» их относительно друг друга переменным резистором R9.

При работе с этим коммутатором следует помнить, что входное сопротивление каналов при верхних по схеме положениях движков резисторов Rl, R2 может падать до 1 кОм. Поэтому желательно работать при такой чувствительности осциллографа, чтобы движки этих резисторов удавалось устанавливать возможно ближе к нижним по схеме выводам. Тогда входное сопротивление каналов составит 5 ... 10 кОм.

Другая разработка И. Нечаева - трехканальный коммутатор, позволяющий исследовать одновременно три сигнала. Особенно такой коммутатор удобен при проверке и налаживании различных устройств с цифровыми микросхемами.

Схема трехканального коммутатора приведена на рис. 36. В нем три микросхемы и четыре транзистора. На транзисторе VT1 и элементах DD1.3, DD1.4 выполнен генератор импульсов. Частота следования импульсов зависит от номиналов деталей С1, C7 и в данном случае составляет 100... 200 кГц.

С генератором соединен делитель частоты на триггере DD3. С выходов генератора и делителя импульсы поступают на дешифратор, в котором работают элементы DD1.1, DD1.2 и DD2.1. Дешифратор управляет усилительными каскадами, собранными на транзисторах VT2-VT4. На вход каждого каскада поступает свой исследуемый сигнал, который будет виден в дальнейшем на той или иной линии развертки осциллографа. В коллекторных цепях транзисторов стоят инверторы (DD2.2-DD2.4), выходы которых подключены через резисторы (R8-R10) к гнезду XS4 - его соединяют с входным шупом осциллографа, работающего в режиме открытого входа.

Работает коммутатор так. В начальный момент, на одном из входов элементов дешифратора будет уровень логического 0, а значит, на их выходах, т. е. на эмиттерах транзисторов усилительных каскадов,- уровень логической I. Если при этом на входные (разъемы XS1-XS3 не будет подан сигнал (т. е. на входах коммутатора будет уровень логического 0), транзисторы окажутся закрытыми. Поскольку отсутствие входного тока элементы ТТЛ логики воспринимают как наличие на входных выводах уровня логической 1, на выходах всех инверторов будет уровень логического 0.
Если же при проверке режимов работы цифрового устройства на входы коммутатора будут поданы уровни логической 1 (3...4 В -для ТТЛ и 6... 15 В -для КМОП логики), транзисторы откроются, но на входы инверторов по-прежнему будут поступать уровни логической 1 и на выходах их сигнал не изменится.
Такое возможно лишь в первоначальный момент, пока генератор не включился в работу. Когда же генератор начнет работать, на входах дешифраторов будут появляться «различные комбинации логических уровней. Как только, скажем, иа входах элемента DD1.1, управляющего усилительным каскадом первого канала, появится уровень логической 1, на его выходе установится уровень логического 0 и эмиттер транзистора VT2 практически окажется подключенным к общему проводу коммутатора (минус источника питания). Кроме того, уровень логической 1 с выхода элемента DD2.1 поступит через делитель R12R13 на вход осциллографа и сформирует линию развертки, соответствующую «нулевому» уровню (около 1 В) первого канала коммутатора.

Если в это время иа разъеме XS1 окажется уровень логического 0, линия останется на месте. При подаче же иа разъем уровня логической I линия отклонится.

Как только уровни логической 1 окажутся на входах элемента DD1.2, вступит в действие второй канал коммутатора. В этом случае с общим проводом окажется соединенным эмиттер транзистора VT3, в результате чего параллельно резистору R13 будет подключен резистор R11 и постоянное напряжение на разъеме XS4 упадет. Сформируется «нулевая» линия развертки (около 0,5 В) второго канала.
Далее уровни логической 1 окажутся на входах элемента DD2.1, в результате чего с общим проводом окажется соединенным только эмиттер транзистора VT4. На экране осциллографа появится «нулевая» (0 В) линия третьего канала коммутатора.

«Расстояние» между линиями каналов определяется номиналами резисторов R11 и R13, а входное сопротивление каналов - номиналами резисторов Rl-R3.

Хотя максимальная частота переключения каналов составляет 200 кГц, а частота исследуемого сигнала не превышает 10 кГц, вместе с контролируемым сигналом на экране осциллографа могут быть видны и моменты переключения каналов в виде светлого фона. Чтобы этот фон был слабее, нужно максимально уменьшить длину соединительного провода между коммутатором и осциллографом, а также уменьшить яркость изображения. Помогает и уменьшение частоты генератора увеличением вдвое-втрое емкости конденсатора С1.

В коммутаторе можно использовать транзисторы КТ315А- КТ315Б, КТ301Д-КТ301Ж, КТ312А, КТ312Б, а также транзисторы старых выпусков МП37 и МП38. Диоды - Д9Б-Д9Ж, Д2Б-Д2Е. Конденсатор О- КТ, КД или БМ; С2-К50-3 или К50-12 емкостью 10. ..50 мкФ на номинальное напряжение 5. ..15 В. Резисторы - МЛТ-0,125.

Большинство деталей монтируют на печатной плате (рис. 37, 38), которую затем укрепляют внутри подходящего корпуса. На лицевой стенке корпуса устанавливают входные разъемы XS1-XS3 и выходные гнезда XS4, XS5. Через отверстие в задней стенке корпуса выводят двухпроводный шпур питания, который подключают во время работы коммутатора к выпрямителю или батарее напряжением 5 В.

Налаживания правильно смонтированный коммутатор не требует. При желании повысить чувствительность коммутатора к уровню логической 1, подаваемого на вход, достаточно уменьшить сопротивление резисторов R1-R3. Правда, при этом упадет входное сопротивление коммутатора.

Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.

Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.

Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:

♦ логическая единица - ключ включен;

♦ логический ноль - выключен.

Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля - зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший .

Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:

К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-

При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. С2 через R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1-R3 подается напряжение питания; С1 заряжается через R4, R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.

Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».

При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурная Рис. 23.26. включения микросхемы

микросхемы ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку

UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN2580A

UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы - согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки - от 2,4 до 15 В.

Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии - UDN2981 - UDN2984.

Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN6118А

Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) - переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.

Максимальное замкнутого ключа не превышает 100 Ом и от напряжения питания микросхемы.

Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока - до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов - 1 МГц.

Сопротивление нагрузки - не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

ЗАЧЕМ ЭТО НУЖНО?

Коммутация сама по себе имеет характер сосредоточенного действия, поскольку осуществляется с помощью специальных устройств – коммутаторов. Поэтому она в меньшей степени несет потенциальную опасность деградации сигнала, нежели распределение.

Коммутация используется и в телестудиях, и в презентационных системах, и в домашних кинотеатрах. Хотя требования к этим системам и различны, общие принципы остаются неизменными.

КОММУТАТОР ПО СВОЕЙ СУТИ

Коммутация может осуществляться с помощью обычных (несколько входов на один выход) и матричных (N входов на M выходов) коммутаторов.

Рис. 1. Что есть коммутатор

Это специализированные устройства, использующие механический переключатель или реле либо (в большинстве случаев) электронный ключ. Имеются коммутаторы с ручным (кнопочным) управлением, а также с электронным, использующим логические схемы и микропроцессор. Наиболее совершенные и сложные модели матричных коммутаторов имеют также дистанционное управление с пульта, по информационной сети (через интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet). Такие модели могут управляться с компьютера, в котором установлено специальное программное обеспечение, либо со специализированного контроллера.

Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них

В презентационных или домашних системах коммутаторы зачастую встроены в другие приборы: AV-ресиверы, масштабаторы и т.д. Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них (входы в телевизоре, усилителе, магнитофоне и проч.).

ТИПЫ КОММУТАТОРОВ

Механические коммутаторы против электронных

Механические коммутаторы – самые простые, дешевые и надежные. Переключение в них производится вручную, простым нажатием кнопки или поворотом ручки. Цепи от нужного входа перемыкаются с цепями выхода с помощью электрических контактов.

Достоинства механических коммутаторов:

Сигнал может передаваться не только от входа на выход, но и в обратном направлении
Практически отсутствуют внутренние шумы и искажения, очень большая полоса пропускания и почти неограниченная амплитуда сигнала
Не требуется питания, отсутствие питания никак не мешает передаче сигнала (это может быть не так в электронных коммутаторах)

Недостатки:

Подрывов избежать невозможно, т.к. в таком коммутаторе для этого недостаточно «интеллекта»
Сигнал никак не усиливается и не буферизируется, это накладывает ограничения на источники, приемники сигнала и длину соединительных кабелей
В матричном коммутаторе (который и вообще-то непросто сделать механическим) нельзя с одного входа раздать сигнал на несколько выходов (только с одного – на один)
Нет дистанционного управления, а возможности наращивания сильно ограничены

Электронные коммутаторы принципиально сложнее и дороже механических (а, значит, их надежность, в принципе, ниже). Раньше такие коммутаторы выполнялись на электронных реле, современные практически всегда используют электронные ключи, которые гораздо надежнее.

Достоинства электронных коммутаторов:

Электронная начинка позволяет принимать любые, сколь угодно изощренные меры для исключения подрывов (подробнее о проблеме подрывов см. ниже)
Можно реализовать дистанционное управление (по интерфейсам RS‑232/422/485, по ИК-лучам, через Ethernet, включать в различные большие системы управления)
Сигнал может быть усилен, перетактирован (для цифровых интерфейсов), буферизирован, можно выполнить его частотную и амплитудную коррекцию
Электронные матричные коммутаторы могут раздать сигнал от одного входа на любое количество выходов
Коммутаторы легко расширяются, запараллеливаются, каскадируются и т.д. (про это – ниже)

Недостатки:

Требуется электропитание, при отсутствии питания большинство коммутаторов вообще не передают какой-либо сигнал на выход, что может оказаться критичным для вещательных центров
Активные электронные цепи коммутаторов вносят кое-какие (пусть малые) искажения и шумы в проходящий сигнал. Они же ограничивают как полосу пропускания, так и максимальную величину входных сигналов.

Одноканальные коммутаторы против матричных

Многие простые системы не требуют более одного выходного канала коммутации. Для них широко используются одноканальные коммутаторы, которые идеологически построены проще матричных, и поэтому значительно дешевле.

По сути, однако, матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе, причем входы их оснащены дополнительными усилителями-распределителями, как показано ниже 1 .

Рис. 2. Матрица 2х2 (2 входа, 2 выхода), собранная из пары усилителей-распределителей (УР) и пары одноканальных коммутаторов

По сути матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе

Такую схему вполне можно собрать и использовать в реальной жизни, однако уже даже при размере матрицы 2х2 (показанной на рисунке) цена матричного коммутатора окажется не выше совокупной заменяющей схемы, а при любых больших размерностях матрицы она окажется заведомо дешевле такой схемы (не говоря уже об удобстве установки, управления и об экономии места в стойке). Впрочем, если используемые одноканальные коммутаторы оснащены проходными входами или отключаемыми терминаторами, и такие схемы могут оказаться весьма эффективными (подробнее об этом ниже).

Совмещенные коммутаторы

Очень часто приходится одновременно коммутировать несколько видов «разномастных» сигналов – например, видео и звук, сигналы управления и др. В этом случае удобно использовать приборы, совмещающие в себе несколько коммутаторов в одном корпусе. Этим достигается впечатляющая экономия и места, и денег, т.к. в таком приборе все коммутаторы по сути имеют общий корпус, блок питания, органы управления.

В совмещенном коммутаторе (например, для видео и аудио) почти всегда имеется режим как совместной коммутации этих сигналов (режим audio-follow-video), так и раздельной, независимой коммутации (режим breakaway), что дает нужную гибкость управления.

Некоторые матричные коммутаторы имеют режим разделения входов и/или выходов на логически независимые секции (режим matrix mapping), и использовать, например, часть входов/выходов под композитное видео, а другую часть – под компонентное видео. Разумеется, коммутатор не может преобразовать формат одного сигнала в формат другого, поэтому он просто работает в режиме двух коммутаторов в одном корпусе.

ПОЧЕМУ ТРУДНО КОММУТИРОВАТЬ

Вот основные трудности, с которыми сталкиваются инженеры при разработке коммутаторов:

обеспечить нужную полосу пропускания и запас по амплитуде для сигнала, при этом не внести в сигнал шумов и искажений
исключить проникновение сигнала с неиспользуемых в данный момент входов на выход («перекрестные помехи»)
исключить щелчки, помехи, подрывы изображения в момент коммутации (это особенно важно в ТВ-студиях)
для цифровых сигналов – обеспечить восстановление и перетактирование («реклокинг») входного сигнала, а иногда и «умное» взаимодействие с источниками и приемниками

Первые две трудности решаются тщательным подбором элементной базы и компонентов устройства, проработкой конструкции и разводки печатных плат и, конечно, опытом и талантом разработчика 2 . Подробнее мы рассмотрим способы решения остальных проблем.

ПОДРЫВЫ, КРУГОМ ПОДРЫВЫ

Подрывы в телестудиях

Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения и кратковременный срыв
инхронизации

Особое значение в области коммутации телевизионного видео (особенно при организации, например, прямого эфира) имеет возможность выбора оптимального момента срабатывания ключей. Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения (помеха, дерганье) и кратковременный срыв синхронизации. Подрывы можно условно разбить на 2 категории:

подрыв синхронизации, когда сигналы синхронизации от источников не совпадают по времени. Синхроимпульсы на выходе коммутатора «дергаются», и приемнику сигнала (скажем, телевизионному монитору) нужно некоторое время (иногда секунды), чтобы заново «отловить» синхронизацию и подстроиться к ней. Пока он этого не сделал, на экране будет прыгающая, хаотическая картинка (а то и вовсе никакой). Такой подрыв считается максимально тяжелым и абсолютно недопустим в ТВ-студиях.
подрыв изображения, когда очередной кадр (точнее, поле) картинки оказывается как бы разрезанным пополам – верхняя половинка еще поступила от первого источника сигнала, а нижняя – от второго (после коммутации). Кроме того, эти две половинки могут оказаться разделенными, например, черной или шумовой горизонтальной полосой. Хотя такой кадр «проскакивает» очень быстро, глаз успевает его отметить, поэтому такой подрыв также считается браком в работе студии.

Рис. 3. Откуда берется подрыв

Для борьбы с подрывами, согласно действующим стандартам, все оборудование телестудии жестко синхронизируется от общего («ведущего») генератора (genlock), поэтому все источники студии ДОЛЖНЫ работать синхронно по времени 3 . Это значит, что:

кадровый синхроимпульс от всех источников совпадает
порядок следования четных/нечетных полей одинаков
строчные синхроимпульсы совпадают
положение и фаза цветовой вспышки в синхроимпульсах строго одинаковы

При выполнении этих условий подрывы первого типа (синхронизации) невозможны. Чтобы исключить и подрывы изображения, коммутатор в ТВ-студии должен производить переключение источников в строго определенный момент времени – а именно в момент кадрового гасящего импульса, когда изображение зритель не видит.

Рис. 4. Коммутатор, работающий без подрывов

Разумеется, такой коммутатор также должен получать сигнал синхронизации от опорного генератора (или использовать сигнал с одного из своих входов) – иначе он не будет «знать» когда делать переключение.

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации. При оснащении новых студий этот момент обязательно должен учитываться как один из приоритетных.

Рис. 5. Если источники (Видео1 и Видео2) несинхронны, подрывов не избежать

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации

Решить проблему пост-фактум также можно, но ценой ощутимо возросших затрат, включив в аппаратурный комплекс блоки кадровых синхронизаторов 4 TBC (Time Base Correction). Это сложные устройства, позволяющие задержать видеосигнал на заданное время в пределах одного периода частоты кадровой развертки. Входной сигнал в кадровом синхронизаторе оцифровывается и «пережидает» нужное для точного совмещения с другим сигналом время в буфере, затем он подвергается обратному цифро-аналоговому преобразованию и подается на выход.

Применение TBC является обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей

В отдельных случаях применение TBC, однако, является не вынужденным, а обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей, которые невозможно включить в сеть синхронизации. В остальных же случаях обычно оказывается дешевле (и идеологически правильней) сразу устанавливать в студии профессиональное оборудование (видеокамеры, магнитофоны и т.д.), имеющее вход genlock.

Рис. 6. Введение в синхросетку студии несинхронного источника

Таким образом, реально переключение происходит не в момент произвольного нажатия кнопки или появления соответствующей команды в сети управления, а несколько позже (для видео - в пределах одного периода частоты кадровой развертки).

Подрывы в презентационных системах и домашнем видеооборудовании

В таких системах переключение входов производится обычно гораздо реже, чем в ТВ-студиях, а зритель готов мириться с некоторой нестабильностью картинки в момент коммутации. Обычно специальных мер по предотвращению подрывов и не принимается.

В то же время в более дорогих устройствах коммутации, ради дополнительного зрительного комфорта, и в ответственных презентационных системах, рассчитанных на работу с важной аудиторией, такие меры предусмотрены.

В системах данного вида источники сигналов (проигрыватели, компьютеры, эфирное ТВ, видеомагнитофоны и т.д.) практически всегда несинхронны, и искусственно их засинхронизировать (как было описано выше для ТВ-студий) оказывается крайне дорого. Кроме того, сигналы от таких источников зачастую представлены в разных форматах (например композитное видео, YUV, VGA или, например, аналоговый либо цифровой звук), и их сначала, до коммутации, надо как-то привести к единому виду.

Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение»

В коммутаторах-масштабаторах , например, все эти проблемы решаются одновременно. Блок масштабирования приводит любой выбранный со входа сигнал к единому формату (обычно VGA или DVI/HDMI). Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение». При таком переходе первое изображение плавно уводится в «черное», а затем из черного плавно появляется изображение от другого источника. Зрительно такой эффект воспринимается комфортно, а скорость переходов обычно можно регулировать. Подробнее о масштабаторах см. брошюру «Преобразование сигналов. Масштабаторы».

в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала»

При переключении между несинхронными источниками (например, сигналов VGA от нескольких компьютеров) в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала». При этом сигналы синхронизации (H и V) от одного источника переключаются сразу на второй, а вот каналы собственно изображения (R, G, B) на некоторое время уводятся в «черное». Монитор (проектор, плазма), использующийся в презентационной системе, некоторое время подстраивается под новые параметры синхронизации, при этом на его экране ничего нет (черная картинка). Когда подстройка закончена, коммутатор включает каналы RGB, и на экране сразу появляется устойчивая картинка от второго источника. И вновь, такой переход визуально комфортнее «прыгающей» картинки, которая получилась бы без использования задержки сигнала.

Помехи при коммутации звука

Аналоговые аудиосигналы коммутировать проще, поскольку в них отсутствует само понятие синхронизации. В то же время и здесь есть подводные камни - если не принимать особых мер, при коммутации могут прослушиваться щелчки.

Для корректной коммутации аудиосигналов используется специальная схема, с помощью которой переключение происходит в момент, когда мгновенные значения сигналов переключаемых источников равны нулю (схема просто ждет, когда такой момент наступит; аудиосигналы меняются очень быстро, и задержка коммутации оказывается практически незаметной).

Рис. 7. Щелчки при переключении аудиосигналов

Рис. 8. Способ избежать щелчков

Другой способ «мягкой» коммутации аудиосигналов - использование аудиомикшера или соответствующих цепей внутри коммутатора, когда первый сигнал плавно «уводится», а другой - «вводится» вместо него (при этом, конечно, неизбежна небольшая слышимая задержка коммутации).

Рис. 9. Мягкая коммутация с помощью микшера

КОММУТАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Работа с цифровыми сигналами (SDI, DVI/HDMI, Firewire/DV, AES/EBU, S/PDIF) имеет свои особенности, которые должны учитываться при построении коммутаторов и при работе с ними.

Перетактирование

Обычно все цифровые сигналы (как видео, так и аудио, равно как и большинство сигналов скоростных компьютерных интерфейсов) передаются в строгом соответствии с синхросеткой, т.е. «под руководством» специальных синхросигналов («тактовых» сигналов). Такие синхросигналы в явном или неявном виде обязательно передаются вместе с основным сигналом. Приемник на основе такой синхросетки может выделить полезный сигнал.

Пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов

Если бы в процессе передачи сигнал не «разъезжался» относительно синхросетки, проблем бы не возникало. Однако пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов. Поэтому реально принятый на конце длинной линии связи цифровой сигнал оказывается чаще всего сдвинутым по времени относительно «идеального». Самым грозным видом такого сдвига для распространенных видео и аудио сигналов является т.н. «джиттер», или фазовое дрожание. Принятые цифровые импульсы оказываются чуть уже или чуть шире исходных 5 . Если не принимать специальных мер, такие сдвижки могут привести к самым неприятным последствиям, вплоть до срыва или зашумления видеокартинки или «скрежета» в аудиоканале.

Для борьбы с этим явлением применяется т.н. перетактирование (или пересинхронизация, reclocking), т.е. искусственное восстановление правильной фазы («тактов») сигнала, с привязкой его к «идеальной» синхросетке.

Рис. 10. Джиттер и как его подавляют

Схема подавления джиттера точно «знает», в какой момент времени ДОЛЖЕН встретиться очередной фронт или импульс сигнала, и, если реально пришедший фронт или импульс отличается от ожидаемого не слишком сильно (т.е. джиттер еще не превысил критического значения), схема искусственно «подвигает» его на законное место. Чтобы схема могла работать, ей приходится «помнить» внутри себя идеальное положение тактов и синхросигналов (ведь их тоже надо как-то восстановить после длинной линии связи), что достигается с помощью изощренных инженерных решений (чаще всего используется кольцо ФАПЧ с инерционным звеном).

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается (если он, конечно, изначально не превышал критического значения, после которого с ним уже не справиться). Обычно линии связи обеспечивают уровень джиттера, который легко парируется входными схемами приборов. Именно это позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь (в отличие от аналоговых, которые невозможно восстановить по какому-либо критерию на приемном конце).

Позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь

Перетактирование также позволяет многократно каскадировать цифровые приборы, т.е. включать последовательно, один за другим, много коммутаторов, распределителей и т.д. Если каждый прибор производит перетактирование, никаких потерь в системе не будет 6 .

Коммутатор цифровых видео или аудиосигналов, если он рассчитан на работу со сколько-нибудь длинными линиями связи (десятки метров и выше), должен быть оснащен схемами перетактирования по каждому входу.

«Умное» взаимодействие

Многие цифровые интерфейсы требуют, чтобы источник и приемник сигнала взаимодействовали друг с другом, например, обменивались некоторой технической информацией. При этом разработчики интерфейса обычно и не предполагали, что между этими двумя может оказаться включенным еще и какой-то коммутатор.

Именно такая история произошла с интерфейсами VGA (по спецификации VESA), DVI (и, чуть позже, с HDMI). Для этих интерфейсов требуется, чтобы дисплей обменивался с компьютером (или иным источником видео, скажем, с DVD-проигрывателем) служебной информацией по интерфейсу DDC. Без такого обмена некоторые компьютеры вообще могут не выдавать картинку на выход, а через интерфейс HDMI, например, не пройдет видео с кодированием HDCP.

В принципе, коммутатору ничего не стоит, кроме собственно цепей для видео, скоммутировать и цепи для обмена через DDC. На рис. 11 видно, что сигналами DDC будут обмениваться дисплей и компьютер 1.

Рис. 11. Проблема обмена служебными данными

Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей

С этой парой все в порядке, а что же компьютеры 2 и 3? Они оказываются «брошенными», без подключенных к ним дисплеев. Возможно, выходы их видеокарт отключатся или перейдут в ждущий режим. Когда коммутатор переключится, например, на компьютер 2, последнему понадобится время, чтобы обменяться с дисплеем данными и ввести свою видеокарту в рабочий режим (а иногда в этом процессе бывают и сбои). Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей.

Решение проблемы состоит в том, что коммутатор САМ считывает из подключенного к его выходу дисплея всю информацию DDC, которая может понадобиться в будущем. Впоследствии коммутатор САМ выдает эти данные по запросу в любой компьютер, который подключен к его входу. В результате компьютеры «думают», что к каждому из них подключен собственный дисплей, и охотно выдают картинку на выход.

По аналогичному принципу работают и многие чисто компьютерные коммутаторы (монитор + клавиатура + мышь), которые вынуждены имитировать мышь и клавиатуру для каждого из подключенных к нему компьютеров, хотя реальная мышь и клавиатура всегда подключена лишь к одному из них. В противном случае некоторые компьютеры вообще отказываются работать.

Коммутатор для интерфейса IEEE 1394 (Firewire), например, также вынужден «вести» себя, как концентратор в общей структуре шины, т.е. обладать «интеллектом», позволяющем ему участвовать в сложных процедурах обмена по этому интерфейсу (подробнее см. брошюру «Интерфейсы. IEEE 1394 (Firewire)»).

НАРАЩИВАНИЕ КОММУТАТОРОВ

Несмотря на наличие на рынке моделей коммутаторов с очень большим числом входов и выходов, нередки случаи, когда приходится наращивать возможности коммутационных устройств с помощью их каскадирования или параллельного включения по выходу. Например, такая ситуация возможна, если большой коммутатор не вписывается по габаритам и стоимости.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным

Другой пример – необходимость «роста» системы по мере «роста» ее владельца. Приобретенный изначально коммутатор оказывается тесен, и становится важным, не теряя средств, уже вложенных в оборудование (т.е. не демонтируя старое), расширить его возможности.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным. Рассмотрим несколько способов решения данной задачи.

Увеличение числа входов

Каскадирование коммутаторов осуществляется путем подключения выхода одного блока к одному из входов другого. Это возможно для коммутаторов любых типов, но не слишком удобно: добавляет лишнюю ступень коммутации, усложняет управление и выводит из оборота один из входов второго коммутатора.

Рис. 12. Каскадное включение

Гораздо выигрышнее параллельное включение по выходам : выходы нескольких устройств соединяются вместе («монтажное «или»). Правда, для реализации этого решения каждый коммутатор должен иметь функцию отключения выхода, а также логически (программно) поддерживать подобное включение, что есть не во всех моделях.

Рис. 13. Запараллеливание выходов

Увеличение числа выходов

Если имеющееся число выходов недостаточно, параллельно первому коммутатору можно поставить дополнительные, а их входы объединить. Для этого помимо самих коммутаторов используются усилители-распределители, имеющие несколько выходов (как было показано ранее на рис. 2).

Однако потребность в дополнительных устройствах – усилителях – исчезает, если обратиться к моделям матричных коммутаторов с проходными входами и выходами (сквозной канал). Каждый такой вход одного коммутатора соединяется с соответствующим выходом другого, а встроенный терминатор (резистор нагрузки линии) включается только в последнем 7 .

Рис. 14. Коммутаторы, объединенные по одному из своих входов через проходные выходы

В некоторых компактных коммутаторах для экономии места разъемы для проходных выходов не предусмотрены, хотя возможность отключения терминаторов имеется. В этом случае можно использовать недорогие T-коннекторы («тройники») для получения того же результата 8 . Их надевают на входы прибора (обычно разъемы BNC), а к двум оставшимся гнездам тройника подключают входной кабель и кабель к следующему коммутатору.

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы: например, с помощью четырех блоков 16 х 16 можно получить матрицу 32 х 32. Иногда такие решения оказываются функционально более гибким и предпочтительным по бюджету: можно начать с системы на дешевом маленьком коммутаторе, и в дальнейшем наращивать ее, докупая дополнительные приборы.

Рис. 15. Увеличение числа входов или выходов одновременно
(Нажмите на фото для увеличения)

На рис. 15 приведен пример такого расширения коммутатора (видео+аудио); можно убедиться, что при увеличении вдвое числа входов и выходов приходится вчетверо увеличивать число матриц. Если понадобится еще двукратное увеличение (до 64 х 64), матриц понадобится уже 16 комплектов. При столь резком расширении наращивание системы отдельными матрицами становится невыгодным.

Если предполагается значительное расширение системы (более чем вдвое), лучше сразу приобретать коммутатор максимальной размерности, но укомплектованный лишь тем количеством блоков входов/выходов, которое необходимо вначале. Модульная конструкция многих приборов большой емкости позволяет реализовать такой подход. В дальнейшем, по мере роста системы, останется лишь докупить и установить недостающие модули, не связываясь с путаницей кабелей и сложным программированием систем, подобным показанной на рис. 15.

Наращивание функциональности

Кроме роста коммутаторов «вширь», возможен и рост их «вглубь», т.е. по типу поддерживаемых сигналов. В частности, видеосигналы форматов CV (композитный), YC (s-Video), YUV (компонентный) отличаются лишь числом видеоканалов (1, 2 или 3), которые надо коммутировать одновременно. В результате, построив систему с базовым качеством видео (CV), можно в дальнейшем улучшить ее до качества YC, а затем и до качества YUV.

Рис. 16. Наращивание матрицы «вглубь», по качеству сигнала

Для такого роста матричные коммутаторы должны «уметь» работать сообща (по нескольку штук впараллель), одновременно исполняя команды на коммутацию. Эта возможность должна быть оговорена в их характеристиках, однако и при ее отсутствии такую работу матриц может сымитировать правильно запрограммированная внешняя система управления.

Отметим, что, если полоса пропускания матриц изначально выбрана с определенным запасом, компонентный вариант позволит также перейти к работе с телевидением высокой четкости (для варианта 1080i необходима полоса пропускания более 70 МГц), а при добавлении матриц для каналов H и V – и с сигналами класса VGA. Подробнее о компонентных сигналах см. статью «Интерфейсы. Сигналы VGA и компонентный».

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ КОММУТАТОРОВ

Для удобства управления матричными коммутаторами, с помощью которых часто реализуют очень сложные коммутационные комбинации с множеством входов и выходов, предусмотрена функция отложенного срабатывания ключей (переключение с подтверждением). Необходимая комбинация входов и выходов набирается заранее, а в нужный момент эта комбинация активируется одним нажатием на кнопку Take. Та же процедура возможна и через интерфейсы дистанционного управления.

Несколько комбинаций входов/выходов могут сохраняться в памяти матричного коммутатора (например, кнопкой STO) и перебираться оператором произвольно (например, кнопкой RCL), что явно облегчает ему жизнь.

Преимуществом таких методов управления является и то, что все внутренние перекоммутации осуществляются одновременно и сразу (а не по одной).

Дополнительной полезной функцией матричного аудиокоммутатора (для аналогового звука) является возможность регулировки уровня сигнала по входу и/или по выходу. В этом случае входная регулировка позволяет выровнять все источники звука по уровню (с тем, чтобы при переключении не было резких скачков громкости). Регулировка уровня выхода может использоваться в качестве регулятора громкости. Например, в многокомнатных (многозонных) системах, где каждый выход матрицы работает на свою зону, слушатель в своей зоне будет регулировать уровень для своего выхода матрицы (о таком его использовании должна позаботиться централизованная система управления аппаратурой).

УПРАВЛЕНИЕ КОММУТАТОРАМИ

Большинство коммутаторов оборудовано собственными органами управления (кнопками, ручками, дисплеями), которые позволяют оперировать с ними в ручном режиме 9 .

Однако во многих случаях коммутатор, установленный в закрытой стойке где-то в аппаратной, оказывается труднодоступен. В этом случае на помощь приходят панели дистанционного управления, которые производители обычно выпускают для своих коммутаторов.

Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах

Пограммируемые панели позволяют, например, управлять только назначенными для них выходами матрицы, либо производить какие-то сложные, заранее запрограммированные действия нажатием одной кнопки. Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах.

Другой распространенный подход – использование управляющей системы на основе компьютера или специализированного контроллера. В этом случае возможна реализация сколь угодно изощренных алгоритмов управления (например, по расписанию, по плей-листу, в сочетании с системой «умный дом») и интерфейсов для пользователя. Большинство производителей снабжают свои коммутаторы бесплатным или продаваемым отдельно программным обеспечением для управления ими от компьютера.

Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления

Знание коммуникационного протокола, по которому осуществляется управление коммутатором, позволяет программисту настроить контроллеры или систему управления. Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления, в противном случае возможности построения произвольных систем будут ограничены только решениями данного производителя.

Обычно приборы имеют стандартные последовательные интерфейсы управления RS-232C, RS-422, RS-485. Эти традиционные интерфейсы имеют ряд ограничений, однако широко распространены и просты в использовании. В современных коммутаторах также широко используются компьютерные интерфейсы: Ethernet, USB, беспроводные: ИК-лучи, Bluetooth, Wi-Fi. В следующей таблице приведены краткие данные о популярных проводных интерфейсах.

Интерфейс	Скорость обмена 10	Разъем, кабель	Макс. длина	Особенности
RS-232С	75-115200 бит/с (чаще всего 9600 или 19200 бит/с)	DB-9 или DB-25, минимум 3 провода	15 м (стандарт), до 30-50 м (экранированный кабель, скорость до 9600 бит/с)	Встроен в компьютеры (РС, но не MAC). Легко «выгорает» при подключении «с искрой»
RS-422	до 1,5 Мбит/с	DB-9 или клеммы (стандарта нет), 2 витых пары + земля		Стандарт для управления Batacam/DVCam
RS-485	до 1,5 Мбит/с	DB-9 или клеммы (стандарта нет), 1 витая пара + земля	до 1,5 км (скорость 9600 бит/с)	Поддерживает много устройств на одной шине. Не защищен от коллизий, может работать неустойчиво
Ethernet	10 или 100 или 1000 Мбит/с	RJ-45, 2 витые пары	до 100 м	Может маршрутизироваться неограниченно, в т.ч. через Интернет. Задержки при управлении непредсказуемы и не гарантированы (зависят от загрузки сети в целом)
USB	11 или 400 Мбит/с	4-контактный, 4 провода	до 3-5 м	С помощью концентраторов (хабов) может быть удлинен до десятков метров
Firewire	100, 200, 400, 800 Мбит/с	4-контактный, 4 провода	до 5 м	Концентраторы или специальные удлинители-преобразователи позволяют продлить до десятков-сотен метров

1 Разумеется, при использовании УР с большим числом выходов и увеличении числа коммутаторов можно получить матрицы каких угодно размеров.
2 А также использованием дорогостоящих комплектующих и тяжелого и дорогого «железа». При построении коммутаторов, как и другого оборудования, постоянно приходится соблюдать баланс между ценой и качеством и искать оптимальные компромиссы.
3 В малых бюджетных студиях в качестве такого генератора иногда используют один из источников сигнала, отличающийся хорошим качеством и никогда не выключающийся. Все оборудование «привязывается» именно к нему. Это дает небольшую экономию бюджета, но может создать непредвиденные трудности, когда этот источник сигнала по ошибке все-таки выключат.
4 TBC также иногда называют по-русски «корректором временных искажений». Он же входит в состав «камерных каналов». Многие TBC «умеют» заодно и транскодировать системы ТВ (NTSC/PAL/SECAM), и обрабатывать видеосигнал в качестве видеопроцессоров.
5 Сужение или расширение носят случайный, шумообразный характер, и их обычно трудно как-то предугадать и скомпенсировать введением какой-то постоянной добавки (задержки).
6 Для аналоговых сигналов при каскадировании неизбежно накапливаются шумы, помехи и искажения, добавляемые в каждом каскаде системы. Это фундаментальное свойство; по этой причине следует избегать излишнего каскадирования в аналоговых системах.
7 Терминатор – согласованная нагрузка (обычно – резистор 75 Ом), нужен для согласования волнового сопротивления кабеля со входом прибора.
8 Удобны специальные тройники, у которых оба гнезда направлены в сторону, противоположную вилке (а не под 90° от нее) – Y-коннекторы; к ним гораздо удобнее подключать кабели в «гуще» проводов.
9 Некоторые большие коммутаторы могут и не иметь собственных панелей управления, т.к. в «ручном» режиме их практически никогда не используют. Они рассчитаны на работу только с внешними системами управления.
10 Отметим, что в большинстве приложений даже скорость 9600 бит/с для управления коммутатором оказывается избыточной.

Когда для нескольких устройств используется один усилитель с одним входом, необходим переключатель входов для усилителя. Для удобства переключатель нужно сделать дистанционным. В качестве коммутирующего элемента используется мультиплексор D4. Это микросхема КМОП серии. Коммутация происходит изменением сопротивления канала полевого транзистора.

Принципиальная схема переключателя двух каналов на четыре направления изображена на рисунке.

Каналы этой микросхемы отличаются высокой линейностью в различном диапазоне коммутируемых аналоговых сигналов,кроне того микросхема позволяет коммутировать как сигналы положительной полярности, так и отрицательной (для этого на микросхему подается двухполярное напряжение питания). Информация о необходимости включения определенного входа поступает в двоичном коде на выводы 10 и 9 микросхемы. При коде числа на этих входах "0" (00) включаются X1 и У1, при коде "1" (01) - Х2 и У2, при коде "2" (10) - Х3 и У3, при "3" - (И) Х4 и У4.

Код для переключении мультиплексора формируется регистровым счетчиком D2, который в данном случае используется только как регистр. С помощью кнопок S1 - S4 на входах "1" и "2" этого счетчика формируется двоичный код нужного входа. Например при нажатии на кнопку S4 через диоды VD1 и VD2 на оба входа поступают единичные уровни, при нажатии на S2 - только на первый вход, на S3 - на второй. При нажатии на S1 на обеих входах нули.

Теперь нужно, чтобы этот код был записан в регистры микросхемы D2. При нажатии на любую из кнопок на одном из входов элемента D1.1 появляется единица, на его выходе ноль. Конденсатор С2 разряжается через резистор R3 и после того как напряжение на ней достигнет логического нуля на выходе элемента D1.2 возникает единица.

Положительный импульс зарядного тока конденсатора С5 поступает на вывод 1 микросхемы D2 и переносит установленный на её входах "1" к "2" код в память, одновременно этот код появляется на её выходах "1" и "2" (выводы 6 и 11), откуда код поступает на управляющие входы мультиплексора D4. Теперь можно отпустить нажатую кнопку, и код на выходах микросхемы D2 не изменится.

Подавление дребезга контактов в данной схеме происходит за счет того что при отпускании кнопки, на входе элемента D1.2 логическая единица устанавливается не сразу, а по истечении времени зарядки конденсатора С2 через резистор R3. Во время дребезга на выходе элемента D1.1 будут импульсы, которые не дадут конденсатору С2 зарядиться до уровня единицы. Это только тогда будет возможно, когда кнопка будет полностью отпущена.

Для индикации номера включенного входа используется светодиодный семисегментным индикатор Н1. Он показывает номера входов - "0", "1", "2" и "3". Микросхема D3 преобразует двоичный код на своих входах в семь сигналов управления сегментами индикатора.

В момент включения схему устанавливается в положение включенного первого входа "0". Для этого используется цепь C1 F2. При включении зарядный ток конденсатора С1 создает положительный импульс на выводе 9 микросхемы D2. Этот вывод используется для установки счетчика и регистра в состояние, когда ка всех выходах нули. Это состояние хранится в памяти до тех пор, пока не будет нажата одна из кнопок.

Вместо микросхем К561 можно использовать такие-же из серии К564. Дешифратор D3 можно заменить на К176ИД2 или К514ИД1. В первом случае совсем другая цоколевка, а во втором потребуется индикатор с общим катодом, например АЛС3 24А, его выводи 3, 9 и 14 придется соединить с общим проводом.