Изолирующий коммутатор

 

Изобретение относится к коммутационной электронной технике и может быть использовано, например, при построении систем контроля и измерения, в которых требуется индивидуальная изоляция коммутируемых каналов друг от друга. Достигаемый технический результат - расширение области применения и повышение помехоустойчивости устройств коммутации путем введения гальванической развязки между всеми каналами. Технический результат достигается благодаря тому, что изолирующий коммутатор содержит общие для всех каналов первый и второй операционные усилители, конденсатор, первый и второй резисторы. Каждый канал содержит три ключа, соединительную линию, выполненную в виде эквивалентных третьего, четвертого и пятого резисторов, две линии задержки управляющего сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к коммутационной электронной технике и может быть использовано, например, при построении систем контроля и измерения, в которых требуется индивидуальная изоляция (гальваническая развязка) коммутируемых каналов друг от друга.

Известен многоканальный переключатель напряжений по авторскому свидетельству №932614, МПК Н 03 К 17/00, содержащий общий для всех каналов операционный усилитель, управляемый коммутирующий элемент в каждом канале коммутации, причем инвертирующий вход операционного усилителя соединен с общей шиной источников коммутируемых напряжений. Это устройство обеспечивает точность передачи коммутируемого сигнала при оговоренных условиях, однако не учитывает влияние соединительной линии между источником сигнала и переключателем и не обеспечивает гальванической развязки между каналами, что ведет к искажению передачи слабых сигналов и снижению помехоустойчивости.

Известен многоканальный коммутатор по авторскому свидетельству №1476603, МПК Н 03 К 17/00, содержащий в каждом канале операционный усилитель, делитель напряжения, элемент задержки, первый, второй, третий и четвертый ключи, конденсатор, подключенный к точке соединения первого и четвертого ключей, работающих в противофазе, а также общий для всех каналов повторитель напряжения. Однако данное техническое решение обеспечивает точность передачи коммутируемого сигнала даже при гальванической развязки между каналами, что вследствие этого, ведет к искажению передачи слабых сигналов и снижению помехоустойчивости. Кроме того, он сложен в изготовлении.

Известен электронный переключатель напряжений по авторскому свидетельству №1045386, МПК Н 03 К 17/00, содержащий общие для всех каналов усилитель постоянного тока, выполненный на операционном усилителе, и резистор, а каждый канал выполнен в виде двух ключей, первый из которых включен между входной шиной канала и неинвертирующим входом операционного усилителя, а второй - между входной шиной канала и выходной шиной устройства, при этом управляющие входы ключей соединены с управляющей шиной канала, а резистор включен между выходом операционного усилителя и выходной шиной устройства. Однако этот переключатель обеспечивает точность передачи коммутируемого сигнала только при известном сопротивлении нагрузки и также не обеспечивает гальванической развязки между каналами.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению многоканальный коммутатор по патенту РФ №2188501, МПК Н 03 17/00, содержащий общие для всех каналов первый и второй операционные усилители, конденсатор и первый и второй резисторы, каждый канал коммутатора выполнен в виде двух ключей, линии задержки управляющего сигнала и соединительной линии, условно представленной в виде третьего, четвертого и пятого резисторов, подключенные соответствующим образом. Этот коммутатор позволяет компенсировать сопротивление соединительных линий от источников сигналов и сопротивление коммутирующих ключей, однако не обеспечивает гальваническую развязку между источниками сигналов, что вносит в работу устройства, в котором используется коммутатор, дополнительную помеху при использовании длинных соединительных линий и активных источников сигналов в промышленных условиях работы, что ограничивает его область применения.

Создание изобретения направлено на расширение области применения и повышение помехоустойчивости устройств коммутации путем введения гальванической развязки между всеми каналами. Для этого в многоканальный коммутатор, содержащий общие для всех каналов первый и второй операционные усилители, конденсатор и первый и второй резисторы, каждый канал которого выполнен в виде двух ключей, соединительной линии, выполненной в виде эквивалентных третьего, четвертого и пятого резисторов, и линии задержки управляющего сигнала, выход которой соединен с управляющим входом первого ключа, при этом третий резистор соединительной линии установлен между входной шиной канала и входом первого ключа, вход второго ключа соединен через четвертый резистор соединительной линии с общей шиной канала, к которой подключен также пятый резистор соединительной линии, управляющий вход второго ключа соединен с управляющей шиной канала, выходы первых ключей каждого канала соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а выходы вторых ключей каждого канала подключены через первый резистор к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и общей шине коммутатора и соединены через второй резистор с выходом второго операционного усилителя, к которому подключен конденсатор, соединенный с общей шиной коммутатора, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с его выходом, являющимся выходом коммутатора, в каждый канал коммутатора введены третий ключ, вход которого подключен к пятому резистору соединительной линии, и дополнительная линия задержки управляющего сигнала, вход которой подключен к управляющей шине канала, а выход - к входу имеющейся линии задержки управляющего сигнала и к управляющему входу третьего ключа, при этом выходы третьих ключей каждого канала соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя.

На чертеже представлена структурная схема изолирующего коммутатора.

Изолирующий коммутатор содержит общие для всех каналов 1...N первый операционный усилитель 2, второй операционный усилитель 3, первый 4 и второй 5 резисторы и конденсатор 6, а каждый канал 1...N коммутатора выполнен из первого 7, второго 8 и третьего 9 ключей, линии задержки 10 управляющего сигнала и дополнительной линии задержки 11 управляющего сигнала, а также соединительной линии, выполненной в виде эквивалентных третьего 12, четвертого 13 и пятого 14 резисторов. Каждый канал 1...N коммутатора имеет входную шину, общую шину и управляющую шину (см. чертеж). В каждом канале 1...N первый ключ 7 включен между входной шиной канала и неинвертирующим входом первого операционного усилителя 2, причем вход первого ключа 7 подключен к входной шине через третий резистор 12. Вход второго ключа 8 соединен через четвертый резистор 13 соединительной линии с общей шиной канала. Вход третьего ключа 9 соединен через пятый резистор 14 соединительной линии с общей шиной канала, а выходы третьих ключей 9 каждого канала 1...N подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя 3. Управляющая шина канала подключена к управляющему входу второго ключа 8 и к входу дополнительной линии задержки 11 управляющего сигнала, а управляющий вход первого ключа 7 подключен к выходу линии задержки 10 управляющего сигнала, вход которой соединен с выходом дополнительной линии задержки 11 управляющего сигнала и управляющим входом третьего ключа 9. Выходы вторых ключей 8 каждого канала 1...N подключены через первый резистор 4 к неинвертирующему входу второго операционного усилителя 3 и общей шине коммутатора и соединены через второй резистор 5 с выходом второго операционного усилителя 3, к которому подключен конденсатор 6, соединенный с общей шиной коммутатора. Инвертирующий вход первого операционного усилителя 2 соединен с его выходом, являющимся выходом изолирующего коммутатора. Изолирующий коммутатор работает следующим образом.

К входным шинам и общим шинам каждого канала 1...N подсоединены соответствующие входные сигналы напряжения, которые необходимо в произвольном порядке по одному коммутировать на выход изолирующего коммутатора.

Под действием управляющего сигнала, подаваемого на управляющую шину какого-либо канала, например 1, включается второй ключ 8 этого канала, который соединяет цепь обратной связи между общей шиной канала и общей шиной коммутатора. Первый резистор 4 защищает второй операционный усилитель 3 от перенапряжения при обрыве соединительной линии. При этом потенциалы общей шины канала и общей шины коммутатора выравниваются через второй ключ 8. Управляющий сигнал проходит через дополнительную линию задержки 11 за время, определяемое переходными процессами в соединительной линии и во втором операционном усилителе 3, и включает третий ключ 9, при этом из-за действия обратной связи, а также из-за малых токов на инвертирующем входе второго операционного усилителя 3 становится пренебрежимо малой разность потенциалов между общей шиной канала 1 и общей шиной изолирующего коммутатора. Второй резистор 5 и конденсатор 6 служат для предотвращения возбуждения второго операционного усилителя 3 при большой емкости соединительной линии. Сигнал с выхода дополнительной линии задержки 11 поступает также на вход линии задержки 10 управляющего сигнала того же канала 1, которая через время, равное времени срабатывания второго ключа 8, времени срабатывания третьего ключа 9 и времени переходных процессов во втором операционном усилителе 3, передает его на управляющий вход первого ключа 7, который, срабатывая, подключает входную шину канала 1 к неинвертирующему входу первого операционного усилителя 2. Так как входное сопротивление первого операционного усилителя 2 стремится к бесконечности, то сигнал канала 1 не ослабляется на третьем резисторе 12 соединительной линии и проходит на выходную шину изолирующего коммутатора без ослабления.

Аналогично происходит работа в других N каналах. В качестве ключей предполагается использовать твердотельные реле на полевых транзисторах, которые обладают повышенной надежностью и приемлемым быстродействием.

Формула изобретения

Изолирующий коммутатор, содержащий общие для всех каналов первый и второй операционные усилители, конденсатор и первый и второй резисторы, каждый канал коммутатора выполнен в виде двух ключей, соединительной линии, выполненной в виде эквивалентных третьего, четвертого и пятого резисторов, и линии задержки управляющего сигнала, выход которой соединен с управляющим входом первого ключа, при этом третий резистор соединительной линии установлен между входной шиной канала и входом первого ключа, вход второго ключа соединен через четвертый резистор соединительной линии с общей шиной канала, к которой подключен также пятый резистор соединительной линии, управляющий вход второго ключа соединен с управляющей шиной канала, выходы первых ключей каждого канала соединены с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а выходы вторых ключей каждого канала подключены через первый резистор к неинвертирующему входу второго операционного усилителя и общей шине коммутатора и соединены через второй резистор с выходом второго операционного усилителя, к которому подключен конденсатор, соединенный с общей шиной коммутатора, причем инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с его выходом, являющимся выходом коммутатора, отличающийся тем, что в каждый канал коммутатора введены третий ключ, вход которого подключен к пятому резистору соединительной линии, и дополнительная линия задержки управляющего сигнала, вход которой подключен к управляющей шине канала, а выход - к входу имеющейся линии задержки управляющего сигнала и к управляющему входу третьего ключа, при этом выходы третьих ключей каждого канала соединены с инвертирующим входом второго операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1