Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

128-канальный аналоговый коммутатор

Данное устройство создавалось для облегчения проверки и выявления брака при экспериментальном производстве матриц светоизлучающих элементов на основе автокатодов. Светоизлучающие элементы на основе автокатодов обладают рядом преимуществ перед привычными дисплеями (ЭЛТ, жидкие кристаллы, плазменные дисплеи). Наиважнейшие из них – это экономичность, высокая контрастность и высокий КПД преобразования электроэнергии в свет. Но многие проблемы еще не решены, поэтому автокатоды в данный момент находятся в стадии развития. Одна из проблем при изготовлении матриц автокатодных лампочек являются токи утечки между соседними проводниками. Так как рабочие напряжения автокатодов составляют сотни вольт, межконтактные сопротивления порядка десяток килоом существенно влияют на качество работы отдельных элементов. Коммутатор позволяет подключать и тестировать на межконтактные сопротивления матрицу с общим количеством контактов не более 128 (например, квадратную матрицу 64x64). В действительности область применения коммутатора не ограничивается только этим. Например, можно тестировать на обрывы кабели, плоские шлейфы, проверять печатные платы. Схема позволяет не только судить о наличии/отсутствии проводимости, но даже рассчитывать сопротивление участка. Еще одно из возможных применений прибора – использование его в качестве 128-канального вольтметра, осциллографа либо индикатора логических уровней, например при изучении работы неизвестного прибора.

Прибор работает по следующему принципу. Образцовое напряжение коммутируется на один из контактов входного разъема, проходит через исследуемое устройство (кабель) и попадает на какой-либо контакт входного разъема. Мультиплексоры коммутируют прошедшее через схему (кабель) напряжение на образцовый резистор, по которому ток стекает на землю. Падение напряжения на этом резисторе и является измеряемой величиной. Зная образцовое напряжение, образцовое сопротивление и внутреннее сопротивление цепи мультиплексоров, через которые проходит сигнал, можно вычислить сопротивление устройства (кабеля), подключенного к входному разъему. Основу прибора составляет матрица микросхем ADG506 (фирма Analog Devices). ADG506 представляет собой 16-канальный аналоговый мультиплексор. Он соединяет один из 16 “входов” (реально они могут быть и выходами) с общим “выходом”, в зависимости от двоичной информации на адресных входах мультиплексора и сигнала на входе разрешения EN.

Все микросхемы ADG506 разделены на две древовидные структуры, каждая из которых представляет каскадированное соединение микросхем в 128-разрядный мультиплексор. Таким образом микросхемы U17, U1-U8 образуют структуру Y, которая коммутирует образцовое напряжение 5.000v с образцового источника U21 на произвольный контакт X0-X127 порта тестирования, состоящего из двух разъемов P1, P2.

U17

(структура Y)

U1

X0-X15

U9

U18

(структура Z)

U2

X16-X31

U10

U3

X32-X47

U11

U4

X48-X63

U12

U5

X64-X79

U13

U6

X80-X95

U14

U7

X96-X111

U15

U8

X112-X127

U16

Микросхемы U9-U16, U18 образуют структуру Z, которая обеспечивает коммутацию одного из этих же контактов X0-X127 порта тестирования на образцовый резистор R5 или R6 (зависит от положения джампера S1). Далее напряжение с опорного резистора буферизируется операционным усилителем U19. Резисторы R3, R7 служат для ограничения возможных бросков тока при «горячем» включении исследуемого устройства к порту тестирования. Резистор R4 служит для подвески потенциала к нулю, когда входной контакт исследуемого порта «висит в воздухе» или у него слишком высокое сопротивление.

Очевиден вопрос, для чего контакты структур Y и Z были соединены вместе. Ведь если развести их на разные разъемы, мы могли получить бы мультиплексор, который мог бы тестировать матрицу 128x128. Благодаря объединению входов структур Y и Z появляется возможность для самодиагностики прибора (контроль прохождения образцового напряжения по каждой линии до порта тестирования и обратно) и что очень важно, измерения внутреннего сопротивления всех мультиплексоров, через которые проходит сигнал. В технической документации на мультиплексоры ADG506 приводится, что внутреннее сопротивление может лежать в пределах 280-600 Ом, поэтому очень важно иметь возможность измерения этого сопротивления именно для тех микросхем, которые установлены в устройство.

Вспомнив закон Ома, получим зависимости искомого сопротивления от напряжения на образцовом резисторе, приняв сопротивление мультиплексора 300 Ом и учтя, что сигнал проходит на своем пути последовательно через четыре мультиплексора.

 <Картинка>

Из построенного семейства (все в системе си) для разных значений образцового сопротивления Rref = 1, 5, 15 кОм очевидно, что образцовое сопротивление около 1кОм снижает диапазон напряжений примерно в два раза. Если ставим большое сопротивление (15 кОм), наблюдается завал точности измерения низких сопротивлений порядка 500 Ом (высокая по модулю производная на правом участке графика).

Проанализируем, как влияет внутреннее сопротивление мультиплексоров на это семейство графиков. Предположим, внутреннее сопротивление мультиплексоров равно 50 Ом.

 <Картинка>

Очевидно небольшое увеличение диапазона напряжений и, что важно, улучшение точности измерения низких сопротивлений (правая сторона графика, линии стали менее резко уходить вниз). Сопротивление 50 Ом было выбрано не случайно. Мультиплексоры ADG506 фирма Analog Devices рекомендует не использовать в новых разработках а устанавливать вместо них полностью совместимые по выводам улучшенные ADG406 с пониженным внутренним сопротивлением в открытом состоянии (около 50 Ом). К сожалению, в момент создания прототипа мне не удалось купить данные микросхемы и я был вынужден использовать ADG506, которые были расположены на цанговых панелях.

Данное устройство не способно работать автономно и требует внешние сигналы управления, которые выведены на разъем P3. В их число входят YA0-YA6 – номер контакта порта тестирования, на который коммутируется образцовое напряжение (ТТЛ, КМОП логические уровни, 0-127); YE – разрешение коммутации образцового напряжения на контакт порта тестирования (ТТЛ, КМОП, 1 - разрешено). ZA0-ZA6 – номер контакта порта тестирования, напряжение с которого коммутируется на образцовое сопротивление (ТТЛ, КМОП логические уровни, 0-127); ZE – разрешение коммутации на образцовое сопротивление (ТТЛ, КМОП, 1 - разрешено). ZQ – аналоговый выход с образцового сопротивления; ZQB – буферизированный аналоговый выход с образцового сопротивления; REF – образцовое напряжение (для АЦП на устройстве управления); GND – общая шина; VDD – напряжение +15в.

Оценим из графика точность измерения сопротивления. Очевидно, она определяется краями графика. Выберем образцовое сопротивление 5 кОм и рабочий интервал измеряемого сопротивления 300 Ом – 50 кОм. Предположим, что в устройстве управления используется 10-разрядный АЦП с диапазонов входных напряжений 0..5 в. Значит вес младшего разряда АЦП составляет примерно 4.9 мВ. Т.е. 0.5 вольта – это около 100 единиц АЦП. Взглянув на производную, получаем, что в окрестности 300 Ом дискретность составляет 800 Ом / 0.5 в = 800 / 100 = 8 Ом, а в окрестности 50 кОм 30кОм / 0.5в = 30кОм / 100 = 300 Ом. Подводя итоги, видим, что в интервале сопротивлений 300 Ом – 50 кОм точность прибора составляет 1%, что является чуть хуже обычного мультиметра! Естественно, для достижения такой точности нужно точно измерить сопротивление образцового резистора перед его установкой в прибор.

Данный прибор можно использовать не только для измерения сопротивлений, но и напряжений, т.е. как 128-канальный осциллограф, просто не включая опорный источник сигналом YE и отключив опорный резистор.

Для управления данным прибором возможно использовать компьютер с какой-либо платой АЦП. Мною создан модуль управления на базе микроконтроллера AVT at90s8535, описание которого скоро подготовлю.

Скворцов Артём

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика