一種高性能的VXI矩陣開關(guān)模塊的研制
摘要:高性能的矩陣開關(guān)模塊是測試系統(tǒng)實現(xiàn)通用性的關(guān)鍵。本文介紹了一種高性能的VXI矩陣開關(guān)的研制,闡述了模塊的設(shè)計原理,給出了電路組成和重要器件的工作原理和控制過程,并簡要分析了模塊的性能。
關(guān)鍵詞:VXI;矩陣開關(guān);FPGA;切換控制
引言
VXI總線是在吸取了VME總線高速通信和GP-IB易于組合的優(yōu)點后產(chǎn)生的,符合測試系統(tǒng)通用性、小型化、模塊化的發(fā)展方向,它集中了智能儀器、個人儀器和測試系統(tǒng)的特長,具有小型便攜、傳輸速度快、模塊化結(jié)構(gòu)、組建和使用靈活方便等優(yōu)點,是先進的測試和檢測儀器總線,是組成測試系統(tǒng)的首選,矩陣開關(guān)模塊不僅是組成測試系統(tǒng)不可缺少的組成部分,而且是實現(xiàn)測試系統(tǒng)通用性的最關(guān)鍵的部分:電源、信號源等激勵信號通過矩陣開關(guān)切換到被測對象的任意輸入端口;同時,將被測對象輸出端口的信號自動切換到相應(yīng)的測試儀器、儀表。因此,研制高性能的矩陣開關(guān)模塊是測試系統(tǒng)實現(xiàn)通用性的重要條件。
設(shè)計原理
矩陣開關(guān)模塊的主要作用是實現(xiàn)測試系統(tǒng)與被測對象間的信號切換,從而使測試系統(tǒng)為被測對象提供工作環(huán)境,實現(xiàn)被測對象脫離系統(tǒng)情況下的測試、檢測和故障診斷。因此,必須保證矩陣開關(guān)工作可靠,性能穩(wěn)定,操控簡便,配置靈活。圖1是矩陣開關(guān)原理方框簡圖。
設(shè)計時,采用單位矩陣設(shè)計,即以4×16作為單位矩陣,在使用時,用戶可根據(jù)需要通過跳線的方式對4塊單位矩陣進行組合,矩陣開關(guān)模塊支持以下模式:4×64、8×32、16×16、2×8×16、2×4×32、4×4×16等,以適應(yīng)不同被測對象的需要。
電路設(shè)計及器件選擇
矩陣開關(guān)模塊主要由接口電路、驅(qū)動電路、切換控制電路和面板插座等組成。其核心部分是切換控制電路。
接口電路
接口電路設(shè)計采用FPGA設(shè)計,選用EPF10K10器件。接口電路包括譯碼電路、初始化電路和繼電器控制電路。其中,譯碼電路主要完成對模塊和寄存器的譯碼;初始化電路完成對接口、寄存器的初始設(shè)定,判定系統(tǒng)是否通過自檢,并在接到清除、結(jié)束操作及復(fù)位等命令后,使系統(tǒng)返回初始狀態(tài);繼電器控制電路主要產(chǎn)生對繼電器的控制信號。
驅(qū)動電路
同5V繼電器相比,12V繼電器具有可靠性和信號隔離度高、性能穩(wěn)定等特點,因此在模塊設(shè)計時,選擇12V繼電器作為矩陣開關(guān)的切換控制繼電器。由于接口電路送入的控制繼電器工作的控制信號為TTL電平,因此,需要驅(qū)動電路將TTL電平轉(zhuǎn)化為12V,以控制繼電器實現(xiàn)信號的切換,在設(shè)計中,選擇8高電壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列驅(qū)動器ULN 2981A和 ULN 2803A分別為矩陣?yán)^電器的行和列提供驅(qū)動電壓。ULN 2981A和 ULN 2803A是TTL和大電流、高電壓系統(tǒng)間的通用接口,具有如下特點:輸入端具有箝位二極管;輸入兼容性強;開關(guān)速度快;維持功耗低。
ULN 2803A和 ULN 2981A輸入TTL電平、5V、CMOS兼容,Vce(max)50V,Ic(max)500mA,使用時,VRR 接12V電源,GND 接地,則1—18、2—17、...... 、8—11構(gòu)成8路輸入/輸出電路。
切換控制電路
切換控制電路是矩陣開關(guān)模塊的核心和關(guān)鍵,要正確地將某一行的信號切換到某一列,而不產(chǎn)生錯誤切換,普通的繼電器無法實現(xiàn)矩陣開關(guān)的多路切換,需要切換控制電路中的繼電器在撤去工作電壓后具有保持鎖定功能,切換控制電路主要由繼電器及外圍電路組成。
工作原理和控制過程
繼電器工作原理
設(shè)計時的難點是如何在將多路信號準(zhǔn)確無誤繼電器工作電壓撤去后使其保持鎖定狀態(tài),通過大量的分析、對比及實驗,選用G6HK—2型繼電器,其結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖2所示。工作電壓為12V、雙線包、具有保持鎖定功能,其各引腳功能為:1、5引腳為工作線包,10、6引腳為泄放線包,3、8引腳為中間點,2、9引腳為常閉點,4、7引腳為常開點。其工作原理如下:初始狀態(tài)下,行H和行L控制線為0V,列控制線為12V;當(dāng)行H控制線和列控制線狀態(tài)改變,即行H控制線從0V變?yōu)?2V,列控制線從12V變?yōu)?V時,繼電器工作,常開點4引腳與3引腳、7引腳與8引腳閉合,此時將4腳與7腳的行H與行L數(shù)據(jù)分別切換到列H與列L,然后將行H控制線和列控制線恢復(fù)到初始狀態(tài),此時,繼電器處于保持鎖定狀態(tài),不受其他信號的影響,如需使繼電器泄放,則改變行L控制線和列控制線上的狀態(tài),即行L控制線由0V變?yōu)?2V,列控制線由12V變?yōu)?V,則繼電器泄放,斷開行、列信號,回到初始狀態(tài)。
電路中,二極管的作用有二:一是在行L恢復(fù)后防止兩線包之間構(gòu)成回路;二是在初始狀態(tài)時防止反向電流。
繼電器控制過程
為更直觀、更形象地說明繼電器的控制過程,下面用波形圖和狀態(tài)表的方式來具體說明其控制過程,見圖3和表1。
表1 繼電器控制過程狀態(tài)表
序 號 | 狀態(tài) | 行驅(qū)1 | 列驅(qū) | 行驅(qū)L |
① | 初態(tài) | 0 | 1 | 0 |
② | 工作狀態(tài) | 1 | 0 | 0 |
③ | 保持鎖定狀態(tài) | 0 | 1 | 0 |
④ | 泄放狀態(tài) | 0 | 0 | 1 |
⑤ | 初始狀態(tài) | 0 | 1 | 0 |
注:表中0為低電平:1代表高電平
接口電路按照圖3的控制順序送入控制繼電器工作的TTL控制信號,經(jīng)驅(qū)動電路變?yōu)?2V,送至相應(yīng)的繼電器,使其動作,然后使繼電器工作在保持鎖定狀態(tài),將相應(yīng)的行信號切換到列上,完成1路信號的切換。例如要將第4行的信號切換到第3列,則通過控制第4行的行驅(qū)控制線和第3列的列驅(qū)控制線,則此時只有4行3列的繼電器受控工作,將第4行的信號切換到第3列。按同樣的方法逐個切換相應(yīng)的信號,完成所有信號的切換,從而實現(xiàn)其功能。圖4是單位矩陣開關(guān)電路示意圖。
選擇不同配置時,只需改變信號線的連接方式,而無需變動驅(qū)動線,使驅(qū)動控制方式簡便、易于實現(xiàn)。需選擇配置時,只需通過跳線連接或斷開單元矩陣間的行、列信號線,即可實現(xiàn)多種配置:當(dāng)4個單元矩陣間不接跳線時,為4×4×16模塊;當(dāng)4個單元矩陣的對應(yīng)列信號相接、行信號不接,則組合成16×16模塊;當(dāng)單元矩陣的對應(yīng)行信號兩兩相接,而列信號不接,則組合成2×4×32模塊;當(dāng)4個單元矩陣的對應(yīng)行信號相接、列信號不接,則組合成4×64模塊;當(dāng)單元矩陣的對應(yīng)行、列信號都兩兩相接,則組合成8×32模塊;當(dāng)單元矩陣的對應(yīng)列信號兩兩相接,而行信號不接,則組合成2×8×16模塊。
性能分析
矩陣開關(guān)的切換控制通過HP VEE編程實現(xiàn),具有切換速度快、工作可靠、性能穩(wěn)定、配置靈活等特點,其主要性能指標(biāo)如下:
單路信號的切換時間:小于6μs;
最大切換電壓:200V;
最大信號頻率:對正弦波30MHz;
對其它信號(如方波、三角波、鋸齒波等)10MHz;
信號失真率:小于5%;
配置靈活:支持4×64、8×32等六種配置模式。
結(jié)語
該VXI矩陣開關(guān)模塊結(jié)構(gòu)合理、配置靈活,具有易于控制、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強、易于操控的特點,能夠適應(yīng)用戶的不同需要。
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