Коммутаторы. 
Медицинская электроника: основы биотелеметрии

Коммутаторы являются одним из составных элементов БТМС с временным, комбинированным и кодовым разделением каналов. Коммутаторы характеризуются целым рядом параметров: частотой опроса, числом коммутируемых каналов, искажениями, вносимыми в канальный сигнал, коэффициентом передачи, уровнем собственных шумов, динамическим диапазоном, входным сопротивлением и др.

где F_B — верхняя частота в спектре канального сигнала. Если каналы имеют различную верхнюю частоту, то в (6.42) берется F_B наиболее широкополосного канала. Для более эффективного использования канала связи может применяться субкоммутация. При этом в одну группу объединяются каналы с близким значением F_B (см. § 4.5). В связи с тем, что физиологические сигналы имеют очень низкий уровень, их коммутация обычно осуществляется после предварительного усиления. Причем коэффициент усиления подбирается таким образом, чтобы выходные сигналы отдельных каналов были приблизительно одного уровня (нормализация сигнала).

Частота опроса каждого из каналов определяется в соответствии с теоремой Котельникова:^ > 2F_B. Обычно берут.

По принципу действия все коммутирующие устройства можно разбить на электромеханические и электронные. Вследствие того что электромеханические коммутаторы имеют большие габариты, массу и потребляют значительную энергию, в биотелеметрии используются в основном электронные коммутаторы.

Функциональная схема коммутатора изображена на рис. 6.34. Под воздействием импульсов генератора тактовой частоты (ГТИ) в распределителе формируется последовательность коммутирующих импульсов, поступающих поочередно на ключевые схемы КЛ-1, КЛ-2,…, КЛ-и отдельных каналов. Ключи открываются, в результате на выходе появляется последовательность амплитудно-модулированных импульсов (АИМ). В качестве ключевых устройств могут использоваться диодные или транзисторные ключи [35, 87, 108].

Рис. 6.34.

На рис. 6.35 изображена схема простейшего диодного ключа (схема «И»), Нормальный режим работы ключа выоирается из условия Л (R,? + /?,), где.

R, — сопротивление открытого диода. При коммутации сигналов изменяющейся полярности применяют различные биполярные ключи [32].

В качестве примера на рис. 6.36 приведена принципиальная электрическая схема четырехканального коммутатора на интегральных микросхемах [74, 148]. При поступлении на управляющие входы ключей К (выводы 5, 6, 12 и 13 К176КТ1) импульсов управления u_v> 6 В ключи последовательно открываются, подключая (через резистор 24 кОм и сопротивление открытого ключа) соответствующий канальный сигнал н_вх1, м_вх2, к_вх3, и и_вх4 ко входу суммирующего усилителя К140УД6, на выходе которого формируется амплитудно-модулированная последовательность многоканального сообщения.

Рис. 6.36.

В коммутаторе с ключевыми схемами последние выполняют одновременно функции АИМ-модуляторов, поэтому к ним предъявляются требования линейности амплитудной характеристики в диапазоне изменения коммутируемого сигнала. Вместо ключей в схему коммутатора могут включаться непосредственно ШИМ или ВИМ- (ЧИМ) модуляторы. В качестве генератора тактовых импульсов используются, как правило, мультивибраторы стабильной частоты.

Распределитель импульсов в зависимости от назначения системы может быть построен по различному принципу. Наиболее распространенными в биотелеметрии являются распределители на основе триггеров и матричные распределители.

Функциональная схема распределителя на основе триггерного регистра сдвига изображена на рис. 6.37. Необходимый защитный интервал /₃ в этой схеме достигается за счет включения после каждого триггера линии задержки ЛЗ. Распределитель этого типа более сложен, чем многофазный мультивибратор, но он обеспечивает высокую частоту коммутации.

Рис. 6.37.

При коммутации большого числа каналов широко используются распределители матричного типа. На рис. 6.38 изображена схема одноступенчатого матричного распределителя, представляющего собой набор логических элементов типа «И», число которых равно числу коммутируемых каналов (7),…

D_2i…D_2n;…; D_ni…D_nn). Диоды Д_у, подключенные к вертикальным шинам с положительным потенциалом, будут закрыты, а подключенные к шинам с нулевым потенциалом — открыты. Это обычно достигается соответствующим выбором режима работы ячеек. В схеме, изображенной на рис. 6.38, все диоды, связанные с первой горизонтальной шиной, будут закрыты. В результате напряжение в точке 1 будет равно напряжению м_вх1, которое через диод D_] поступит на сопротивление нагрузки R₀. Под воздействием импульсов ГТИ первый триггер опрокинется, в результате 7), откроется и зашунтирует м_вх1, а 1)₂ закроется. При этом все диоды второй шины окажутся запертыми, и на R₀ выделится и_вх2 и т. д. С помощью матричной схемы можно переключить п = 2″ «v каналов, где п — число триггерных ячеек.

Рис. 6.38.

В микропроцессорных системах, АЦП, ЦАП, а также в системах электронной коммутации широкое применение находят мультиплексоры: многоканальные коммутаторы (имеющие 4, 8, 16, 32, 64 входа и 1—2 выхода) с цифровым устройством управления [32]. Простейшие мультиплексоры цифровых и аналоговых сигналов показаны на рис. 6.39 а и б соответственно.

Рис. 6.39.

Цифровой мультиплексор (рис. 6.39, а) позволяет осуществлять последовательный или произвольный опрос логических состояний источников сигналов Х₀, Х_ь Х₂, Х_ъ и передачу результата опроса на выход Y. В зависимости от логических уровней адресных сигналов А₀, А, устройство управления обеспечивает соединение выхода мультиплексора с одним из информационных входов, реализуя алгоритм.

Следует отметить, что логическое произведение адресных сигналов равно 1 только для информационного входа, индекс которого совпадает с требуемым адресом. Например, если Л, = 1 и А₀ — 0, то выход Y подключается к информационному входу Х₂:

По указанному принципу строятся мультиплексоры на любое требуемое число информационных входов. Некоторые типы цифровых мультиплексоров допускают коммутацию и аналоговых информационных сигналов.

Однако лучшими показателями обладают аналоговые мультиплексоры, содержащие матрицу высококачественных аналоговых ключей (АК, — АК₄) работающих на выходной буферный усилитель, цифровое УУ. Соединение узлов между собой иллюстрирует рис. 6.39, 6.

Примером БИС аналогового мультиплексора является микросхема типа К592КН1, выполненная на основе МДП-транзисторов. Она обеспечивает коммутацию 16 аналоговых источников информации на один выход, позволяя производить как адресацию, так и последовательную выборку каналов.

При разработке БИС аналоговых мультиплексоров учитывают необходимость их совместимости с системой команд микропроцессоров.

Аналоговые мультиплексоры являются весьма перспективными изделиями для электронных коммутационных полей и многоканальных электронных коммутаторов в связи и биотелеметрии.