Аналоговый переключатель

В данной статье мы рассмотрим важную задачу в схемотехнике роботов, а именно задачу переключения аналогового сигнала. К аналоговому сигналу относятся:

- звуковой сигнал

- видеосигнал

- сигнал с аналоговых датчиков (дальномеры и пр.)

Речь идет о следующих типовых ситуациях:

1. Допустим у вас на борту системы находится 4 аналоговых  камеры. Если вы решите использовать сразу 4, то вам как минимум придется протянуть 4 коаксиальных кабеля, либо 4 радиопередатчика, что абсолютно нерентабельно и неудобно. В большинстве дешевых плат видеозахвата хоть и установлено 4 канала, но работать совместно они не могут, внутри стоит аналоговый переключатель, коммутирующий 4 источника на один приемник. За переключение отвечает драйвер устройства и происходит это не быстро. Та же проблема возникает при прокладке системы видеонаблюдения, но там используют внешние переключатели, либо многоканальные платы видеозахвата.

2. На роботе стоит 10 аналоговых дальномеров. Сигнал с них нужно оцифровать с помощью АЦП. Допустим, это дальномеры GP2D12. Вы решили использовать один из популярных микроконтроллеров AVR, в них как правило 8 каналов АЦП в младших моделях Мега и до 16 в старших. Использовать старшие не всегда рентабельно и удобно из-за большого количества выводов. Выход очевиден - в контроллере уже стоит аналоговый переключатель (АЦП де-факто на кристалле один, поэтому на AVR АЦП не может вести параллельное преобразование), вы же на один из выводов можете добавить аналоговый переключатель и расширить на 2,4,8,16 число каналов АЦП. Здесь оптимальность упирается в быстродействие, приведу небольшой расчет: - для выбранного нами датчика время преобразования составляет порядка 50 мс (отсюда становится видно, что полоса пропускания у датчика весьма малая - около 20 Гц), возьмем контроллер с 16 Мгц кварцем, выберем делитель частоты АЦП = 128 для хорошего качества преобразования и примем, что время преобразования АЦП 26 тактов, получим, что 3 328 тактов нам нужно на это. Несложно понять, что в секунду с 16 Мгц можно получить порядка 5000 измерений. Нам же для оцифровки показаний достаточно 40 Гц (в 2 раза больше полосы пропускания). Таким образом максимальное число датчиков на один контроллер AVR может достигать 800, не хило. Даже если взять еще вычислительное время на вспомогательные действия и протокол обмена, то при работе в прерываниях мы все равно сохраним это соотношение. Применение пары дискретных фильтров конечно отнимет у нас около 100 тактов на одно преобразование и реальное число снизится до 70-80 датчиков.  Так вот, используя аналоговый переключатель мы можем расширить имеющиеся 8 каналов до 64, используя 8 канальный переключатель. Причем, 20 Гц - очень низкая полоса пропускания и нам подойдет один из самых дешевых. Применяя такой вот подход обычный МК можно превратить в систему аналоговых входов.

Теперь перейдем к делу. Я покажу пример, как организовать систему передачи видеосигнала по одному коаксиальному кабелю сразу с нескольких камер. В случае видеосигнала выдвигаются более жесткие требования, среди них:

- высокая полоса пропускания - до 7  мГц (PAL).

- нужна развязка (есть более научный термин этого, но я не помню названия)

- при длинном кабеле нужно еще и усиление сигнала

На все случаи жизни умные граждане США разработали необходимые микросхемы.

Для нашего случая подойдет микросхема MAX4311. Эта микросхема обеспечивает коммутацию четырех источников видеосигнала в 1 приемник. В данной линейке MAX4310-4315 предназначены как раз для видеосигнала и классифицируются как аналоговые мультиплексоры. Нам нужно было передавать сигнал на 25 метров по коаксиальному кабелю, поэтому я решил усилить сигнал и выбрал коэффициент передачи равным 2. Также нужно отметить, что полоса пропускания у этой микросхемы при усилении 2 намного шире, чем нам нужно, если взглянуть на график, то только начиная с 10 Мгц можно заметить отклонение графика от горизонтальности.

Если посмотреть на описание микросхемы, то становится понятно, что внутри расположен собственно аналоговый переключатель и операционный усилитель.

Теперь перейдем собственно к соединению на плате. Для начала нам нужно выбрать сопротивления обратной связи ОУ для усиления 2. Для этого воспользуемся таблицей.

Согласно этим данным синтезируем схему подключения:

Здесь Cam1, Cam2 линии сигнала от камеры 1 и камеры 2.  Сигнал разрешения выдачи SHDN всегда в активном состоянии. Выходную линию videoOut сажаем на коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.  Неиспользуемые входы нужно через резистор на 75 Ом посадить на землю.

К вопросу о камерах, для тестирования я использовал дешевую с малым углом обзора камеру из Чип и Дип. Вот такую:          JK-007A

Возможность подстройки фокуса.
Сенсор тип/размер CMOS/1,3".
Система цветности PAL/NTSC.
Количество эффективных пикселей PAL:628*582 NTSC:510*492.
Рабочая область PAL:5.78*4.19mm NTSC:4.69*3.45.
Разрешение  380 линий.
Частота сканирования PAL:50Hz NTSC:60Hz.
Минимальная освещенность 3 люкса.
Чувствительность +18DB-AGCON-OFF.
Питание +6V DC-+9V DC.
Потребляемая мощность 0,2Вт.
Угол обзора 53°.

Дешевая (меньше 1000 руб)  и как бы цветная. :) Но качество цвета оставляет желать лучшего. Плюсы то, что питается всего лишь от 6 вольт. (вообще по даташиту до 9 вольт, но менеджеры написали почему-то 12 вольт). Также, это очень маленькая камера, миниатюрная и хорошо подходит для установки на мобильный робот. Оценить изображение в цвете:

Отмечу, что для уменьшения помех все статические компоненты нужно располагать как можно ближе к микросхеме, те из них, которые имеют вывод на землю желательно спускать на нее по топологии звезда (либо просто избегать использования одной и той же дорожки как силовыми, так и цифровыми компонентами) , а также использовать SMD компоненты.  Сам элемент MAX4311 желательно питать от линейного преобразователя, так как высокочастотный шум может повлиять на качество сигнала. Если на плате имеются импульсные преобразователи, то их лучше отнести как можно дальше от микросхемы, либо использовать залитые в компаунд. Вот собственно и все. Для удобства даташит на MAX4310-4315 приложу к статье.

MAX4311

Leave a Reply

You must be logged in to post a comment.