316 Электронные измерительные системы

Очевидно, что это достигается за счет умень­шения общего числа каналов. В примере, приведенном на рис. 4.31(b), часто­та взятия выборок у первых двух каналов в четыре раза выше, чем у осталь­ных; общее число каналов уменьшается в этом случае на шесть.

Непосредственную коммутацию, показанную на рис. 4.31(а), не так лег­ко осуществить практически, особенно в случае мультиплексоров с боль­шим числом каналов. Проблема заключается в перекрестных помехах и час­тичном прохождении на выход сигналов из тех каналов, которые в данный момент отключены. Эта проблема возникает из-за того, что (полевые) тран­зисторы, используемые в ключах, не являются идеальными. Кроме того, каждый ключ добавляет паразитный (нагрузочный) импеданс между вхо­дом и землей. Если мы поместим большое число ключей параллельно, то уровни шумов и эффекты, связанные с нагрузкой, окажутся недопустимы­ми. Поэтому в мультиплексорах с большим числом каналов применяется «подкоммутация». Как показано на рис. 4.31 (с), подкоммутация осуществля­ется в несколько этапов. В примере, приведенном на рисунке, один канал мультиплексора с непосредственной коммутацией (рис. 4.31 (а)) подвержен действию перекрестных помех со стороны, скажем, 15 других каналов, тогда как в схеме, указанной на рис. 4.31(с), число каналов, служащих источни­ком перекрестных помех, ограничено 3 каналами и 3 подканалами.

Когда мультиплексирование применяется для коммутации малых по ве­личине сигналов, сопровождаемых собственным шумом, особенно важно обеспечить защиту от внесения других помех. На рис. 4.32(а) показано, как обычно измеряются большие по величине сигналы. Даже в том случае, когда источник сигнала V_v находится на некотором расстоянии от усилителя А, напряжение V_g между земляными точками усилителя и источника пренебре­жимо мало по сравнению с V_v. В этом случае оказывается достаточным муль­типлексор с асимметричной (по отношению к земле) структурой. Такой «асимметричный мультиплексор» приемлем, когда Vg = 0 или V_g / V_v очень мало. Если эти требования не выполнены, то необходимо применить «сим­метричный мультиплексор» (указанный на рис. 4.32(b)).

В таком мультиплексоре происходит одновременное переключение двух входов для каждого канала. При этом важно, чтобы усилитель А обладал большим

4.5 Системы сбора данных 317

«коэффициентом ослабления синфазного сигнала» (см. раздел 2.3.3.3). Более простое, но несколько менее эффективное решение приведе­но на рис. 4.32(с). Применяя показанный здесь «псевдосимметричный муль­типлексор», мы предполагаем, что для всех источников входных сигналов напряжение помех V_g примерно одинаково. Однако обычно это справедливо только приближенно; правда, при таком методе мультиплексирования не предъявляются столь серьезные требования к нечувствительности усилителя по отношению к синфазному сигналу, как в случае симметричного мульти­плексора. Чтобы точно измерять малые по величине сигналы, необходимо применять экранирование (рассмотренное в разделе 2.3.3.3). В таких случаях при мультиплексировании экран также переключается; поэтому на один канал необходимо иметь три ключа.

Центральный цифровой процессор системы сбора данных способен вос­принимать информацию только в дискретные моменты времени. Когда нуж­но, чтобы процессор осуществлял совместную обработку нескольких вход­ных сигналов, как правило, предполагается, что выборки из всех этих сиг­налов берутся в один и тот же момент времени. Однако на практике при мультиплексировании по описанному выше принципу выборки из разных сигналов берутся последовательно. Поэтому соответствующие выборки сдви­нуты немного по времени. Эта задержка между выборками в нескольких па­раллельно обрабатываемых сигналах известна как «разнесение». При обра­ботке разнесение вносит нежелательный сдвиг по фазе. Можно минимизи­ровать разнесение, подключив сигналы, которые должны обрабатываться в одном алгоритме, таким образом, чтобы все они вводились в соседних ка­налах мультиплексора. Тогда выборки из этих сигналов будут отстоять друг от друга только на короткое время. Если и при таком методе вносится слиш­ком большой сдвиг по фазе, то можно воспользоваться так называемым «синхронным мультиплексированием». Это может оказаться дороже (см. рис. 4.33), но такой способ является единственным правильным решением, по­зволяющим избежать разнесения полностью.

Как видно из схемы на рис. 4.33(а), каждый из сигналов, подаваемых на входы мультиплексора (М), поступает от своей схемы выборки и хранения (S/H). Блок синхронизации одновременно переключает все эти схемы в ре­жим «хранения». Это делается однократно в каждом цикле сканирования, производимого мультиплексором с частотой . Затем мультиплексор счи­тывает эти «удерживаемые» входные напряжения и подает их на АЦП. Для того чтобы взятие выборок было абсолютно одновременным, важно обеспе­чить идентичность фильтров, осуществляющих фильтрацию, предшествую­щую взятию выборок, в каждом из каналов. Если этого не сделать, то будут вноситься нежелательные фазовые сдвиги. Для сравнения на рис. 4.33(b) изоб­ражен обычный мультиплексор с единственной схемой выборки и хранения S/H.

У всякого мультиплексора есть определенная максимальная скорость ска­нирования. Она определяется наибольшим числом каналов, которые можно подключить к выходу в пределах одной секунды. Ограничение скорости ска­нирования обусловлено конечным временем, необходимым для того, чтобы закончился переходный процесс, возникающий при подключении к новому каналу.

318. Электронные измерительные системы

Это время, которое должно пройти, прежде чем выходной сигнал войдет в допустимые пределы отклонения от конечного значения; его назы­вают «временем установления». О максимальной скорости сканирования говорят также как о «пропускной способности» (выражаемой числом кана­лов в секунду). Кроме того, мультиплексор не является идеальным устрой­ством. Он имеет ненулевое сопротивление между входом и выходом в режи­ме «включено», вносит небольшую ошибку смещения нуля и не обеспечи­вает полной изоляции выключенных каналов. Даже в состоянии «выключе­но» некоторая доля входного сигнала проходит на выход мультиплексора. Правда, в каждом конкретном приложении путем тщательного отбора, как правило, можно добиться того, чтобы эти ошибки оставались малыми.