Электронный коммутатор входов. Электронный коммутатор. Дополнительные функции коммутаторов

ЗАЧЕМ ЭТО НУЖНО?

Коммутация сама по себе имеет характер сосредоточенного действия, поскольку осуществляется с помощью специальных устройств – коммутаторов. Поэтому она в меньшей степени несет потенциальную опасность деградации сигнала, нежели распределение.

Коммутация используется и в телестудиях, и в презентационных системах, и в домашних кинотеатрах. Хотя требования к этим системам и различны, общие принципы остаются неизменными.

КОММУТАТОР ПО СВОЕЙ СУТИ

Коммутация может осуществляться с помощью обычных (несколько входов на один выход) и матричных (N входов на M выходов) коммутаторов.

Рис. 1. Что есть коммутатор

Это специализированные устройства, использующие механический переключатель или реле либо (в большинстве случаев) электронный ключ. Имеются коммутаторы с ручным (кнопочным) управлением, а также с электронным, использующим логические схемы и микропроцессор. Наиболее совершенные и сложные модели матричных коммутаторов имеют также дистанционное управление с пульта, по информационной сети (через интерфейсы RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet). Такие модели могут управляться с компьютера, в котором установлено специальное программное обеспечение, либо со специализированного контроллера.

Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них

В презентационных или домашних системах коммутаторы зачастую встроены в другие приборы: AV-ресиверы, масштабаторы и т.д. Вся техника, имеющая несколько входов, оборудована и коммутатором для них (входы в телевизоре, усилителе, магнитофоне и проч.).

ТИПЫ КОММУТАТОРОВ

Механические коммутаторы против электронных

Механические коммутаторы – самые простые, дешевые и надежные. Переключение в них производится вручную, простым нажатием кнопки или поворотом ручки. Цепи от нужного входа перемыкаются с цепями выхода с помощью электрических контактов.

Достоинства механических коммутаторов:

• Сигнал может передаваться не только от входа на выход, но и в обратном направлении
• Практически отсутствуют внутренние шумы и искажения, очень большая полоса пропускания и почти неограниченная амплитуда сигнала
• Не требуется питания, отсутствие питания никак не мешает передаче сигнала (это может быть не так в электронных коммутаторах)

Недостатки:

• Подрывов избежать невозможно, т.к. в таком коммутаторе для этого недостаточно «интеллекта»
• Сигнал никак не усиливается и не буферизируется, это накладывает ограничения на источники, приемники сигнала и длину соединительных кабелей
• В матричном коммутаторе (который и вообще-то непросто сделать механическим) нельзя с одного входа раздать сигнал на несколько выходов (только с одного – на один)
• Нет дистанционного управления, а возможности наращивания сильно ограничены

Электронные коммутаторы принципиально сложнее и дороже механических (а, значит, их надежность, в принципе, ниже). Раньше такие коммутаторы выполнялись на электронных реле, современные практически всегда используют электронные ключи, которые гораздо надежнее.

Достоинства электронных коммутаторов:

• Электронная начинка позволяет принимать любые, сколь угодно изощренные меры для исключения подрывов (подробнее о проблеме подрывов см. ниже)
• Можно реализовать дистанционное управление (по интерфейсам RS‑232/422/485, по ИК-лучам, через Ethernet, включать в различные большие системы управления)
• Сигнал может быть усилен, перетактирован (для цифровых интерфейсов), буферизирован, можно выполнить его частотную и амплитудную коррекцию
• Электронные матричные коммутаторы могут раздать сигнал от одного входа на любое количество выходов
• Коммутаторы легко расширяются, запараллеливаются, каскадируются и т.д. (про это – ниже)

Недостатки:

• Требуется электропитание, при отсутствии питания большинство коммутаторов вообще не передают какой-либо сигнал на выход, что может оказаться критичным для вещательных центров
• Активные электронные цепи коммутаторов вносят кое-какие (пусть малые) искажения и шумы в проходящий сигнал. Они же ограничивают как полосу пропускания, так и максимальную величину входных сигналов.

Одноканальные коммутаторы против матричных

Многие простые системы не требуют более одного выходного канала коммутации. Для них широко используются одноканальные коммутаторы, которые идеологически построены проще матричных, и поэтому значительно дешевле.

По сути, однако, матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе, причем входы их оснащены дополнительными усилителями-распределителями, как показано ниже 1 .

Рис. 2. Матрица 2х2 (2 входа, 2 выхода), собранная из пары усилителей-распределителей (УР) и пары одноканальных коммутаторов

По сути матричный коммутатор можно представить как несколько одноканальных коммутаторов, работающих вместе

Такую схему вполне можно собрать и использовать в реальной жизни, однако уже даже при размере матрицы 2х2 (показанной на рисунке) цена матричного коммутатора окажется не выше совокупной заменяющей схемы, а при любых больших размерностях матрицы она окажется заведомо дешевле такой схемы (не говоря уже об удобстве установки, управления и об экономии места в стойке). Впрочем, если используемые одноканальные коммутаторы оснащены проходными входами или отключаемыми терминаторами, и такие схемы могут оказаться весьма эффективными (подробнее об этом ниже).

Совмещенные коммутаторы

Очень часто приходится одновременно коммутировать несколько видов «разномастных» сигналов – например, видео и звук, сигналы управления и др. В этом случае удобно использовать приборы, совмещающие в себе несколько коммутаторов в одном корпусе. Этим достигается впечатляющая экономия и места, и денег, т.к. в таком приборе все коммутаторы по сути имеют общий корпус, блок питания, органы управления.

В совмещенном коммутаторе (например, для видео и аудио) почти всегда имеется режим как совместной коммутации этих сигналов (режим audio-follow-video), так и раздельной, независимой коммутации (режим breakaway), что дает нужную гибкость управления.

Некоторые матричные коммутаторы имеют режим разделения входов и/или выходов на логически независимые секции (режим matrix mapping), и использовать, например, часть входов/выходов под композитное видео, а другую часть – под компонентное видео. Разумеется, коммутатор не может преобразовать формат одного сигнала в формат другого, поэтому он просто работает в режиме двух коммутаторов в одном корпусе.

ПОЧЕМУ ТРУДНО КОММУТИРОВАТЬ

Вот основные трудности, с которыми сталкиваются инженеры при разработке коммутаторов:

• обеспечить нужную полосу пропускания и запас по амплитуде для сигнала, при этом не внести в сигнал шумов и искажений
• исключить проникновение сигнала с неиспользуемых в данный момент входов на выход («перекрестные помехи»)
• исключить щелчки, помехи, подрывы изображения в момент коммутации (это особенно важно в ТВ-студиях)
• для цифровых сигналов – обеспечить восстановление и перетактирование («реклокинг») входного сигнала, а иногда и «умное» взаимодействие с источниками и приемниками

Первые две трудности решаются тщательным подбором элементной базы и компонентов устройства, проработкой конструкции и разводки печатных плат и, конечно, опытом и талантом разработчика 2 . Подробнее мы рассмотрим способы решения остальных проблем.

ПОДРЫВЫ, КРУГОМ ПОДРЫВЫ

Подрывы в телестудиях

Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения и кратковременный срыв
инхронизации

Особое значение в области коммутации телевизионного видео (особенно при организации, например, прямого эфира) имеет возможность выбора оптимального момента срабатывания ключей. Если переключить сигналы с двух несинхронизированных источников в произвольный момент времени, на экране телевизора будет заметен подрыв изображения (помеха, дерганье) и кратковременный срыв синхронизации. Подрывы можно условно разбить на 2 категории:

• подрыв синхронизации, когда сигналы синхронизации от источников не совпадают по времени. Синхроимпульсы на выходе коммутатора «дергаются», и приемнику сигнала (скажем, телевизионному монитору) нужно некоторое время (иногда секунды), чтобы заново «отловить» синхронизацию и подстроиться к ней. Пока он этого не сделал, на экране будет прыгающая, хаотическая картинка (а то и вовсе никакой). Такой подрыв считается максимально тяжелым и абсолютно недопустим в ТВ-студиях.
• подрыв изображения, когда очередной кадр (точнее, поле) картинки оказывается как бы разрезанным пополам – верхняя половинка еще поступила от первого источника сигнала, а нижняя – от второго (после коммутации). Кроме того, эти две половинки могут оказаться разделенными, например, черной или шумовой горизонтальной полосой. Хотя такой кадр «проскакивает» очень быстро, глаз успевает его отметить, поэтому такой подрыв также считается браком в работе студии.

Рис. 3. Откуда берется подрыв

Для борьбы с подрывами, согласно действующим стандартам, все оборудование телестудии жестко синхронизируется от общего («ведущего») генератора (genlock), поэтому все источники студии ДОЛЖНЫ работать синхронно по времени 3 . Это значит, что:

• кадровый синхроимпульс от всех источников совпадает
• порядок следования четных/нечетных полей одинаков
• строчные синхроимпульсы совпадают
• положение и фаза цветовой вспышки в синхроимпульсах строго одинаковы

При выполнении этих условий подрывы первого типа (синхронизации) невозможны. Чтобы исключить и подрывы изображения, коммутатор в ТВ-студии должен производить переключение источников в строго определенный момент времени – а именно в момент кадрового гасящего импульса, когда изображение зритель не видит.

Рис. 4. Коммутатор, работающий без подрывов

Разумеется, такой коммутатор также должен получать сигнал синхронизации от опорного генератора (или использовать сигнал с одного из своих входов) – иначе он не будет «знать» когда делать переключение.

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации. При оснащении новых студий этот момент обязательно должен учитываться как один из приоритетных.

Рис. 5. Если источники (Видео1 и Видео2) несинхронны, подрывов не избежать

Внешняя синхронизация источников видеосигнала со специального генератора – универсальный и относительно недорогой метод обеспечения качественной коммутации

Решить проблему пост-фактум также можно, но ценой ощутимо возросших затрат, включив в аппаратурный комплекс блоки кадровых синхронизаторов 4 TBC (Time Base Correction). Это сложные устройства, позволяющие задержать видеосигнал на заданное время в пределах одного периода частоты кадровой развертки. Входной сигнал в кадровом синхронизаторе оцифровывается и «пережидает» нужное для точного совмещения с другим сигналом время в буфере, затем он подвергается обратному цифро-аналоговому преобразованию и подается на выход.

Применение TBC является обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей

В отдельных случаях применение TBC, однако, является не вынужденным, а обязательным, если при прямом эфире используются фрагменты с портативных носителей, из «чужого» эфира, от любительских камкодеров или бытовых DVD-проигрывателей, которые невозможно включить в сеть синхронизации. В остальных же случаях обычно оказывается дешевле (и идеологически правильней) сразу устанавливать в студии профессиональное оборудование (видеокамеры, магнитофоны и т.д.), имеющее вход genlock.

Рис. 6. Введение в синхросетку студии несинхронного источника

Таким образом, реально переключение происходит не в момент произвольного нажатия кнопки или появления соответствующей команды в сети управления, а несколько позже (для видео - в пределах одного периода частоты кадровой развертки).

Подрывы в презентационных системах и домашнем видеооборудовании

В таких системах переключение входов производится обычно гораздо реже, чем в ТВ-студиях, а зритель готов мириться с некоторой нестабильностью картинки в момент коммутации. Обычно специальных мер по предотвращению подрывов и не принимается.

В то же время в более дорогих устройствах коммутации, ради дополнительного зрительного комфорта, и в ответственных презентационных системах, рассчитанных на работу с важной аудиторией, такие меры предусмотрены.

В системах данного вида источники сигналов (проигрыватели, компьютеры, эфирное ТВ, видеомагнитофоны и т.д.) практически всегда несинхронны, и искусственно их засинхронизировать (как было описано выше для ТВ-студий) оказывается крайне дорого. Кроме того, сигналы от таких источников зачастую представлены в разных форматах (например композитное видео, YUV, VGA или, например, аналоговый либо цифровой звук), и их сначала, до коммутации, надо как-то привести к единому виду.

Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение»

В коммутаторах-масштабаторах , например, все эти проблемы решаются одновременно. Блок масштабирования приводит любой выбранный со входа сигнал к единому формату (обычно VGA или DVI/HDMI). Блок коммутации обеспечивает визуально гладкую смену одного изображения другим, применяя метод «перехода через затемнение». При таком переходе первое изображение плавно уводится в «черное», а затем из черного плавно появляется изображение от другого источника. Зрительно такой эффект воспринимается комфортно, а скорость переходов обычно можно регулировать. Подробнее о масштабаторах см. брошюру «Преобразование сигналов. Масштабаторы».

в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала»

При переключении между несинхронными источниками (например, сигналов VGA от нескольких компьютеров) в некоторых презентационных коммутаторах используется метод «задержки сигнала». При этом сигналы синхронизации (H и V) от одного источника переключаются сразу на второй, а вот каналы собственно изображения (R, G, B) на некоторое время уводятся в «черное». Монитор (проектор, плазма), использующийся в презентационной системе, некоторое время подстраивается под новые параметры синхронизации, при этом на его экране ничего нет (черная картинка). Когда подстройка закончена, коммутатор включает каналы RGB, и на экране сразу появляется устойчивая картинка от второго источника. И вновь, такой переход визуально комфортнее «прыгающей» картинки, которая получилась бы без использования задержки сигнала.

Помехи при коммутации звука

Аналоговые аудиосигналы коммутировать проще, поскольку в них отсутствует само понятие синхронизации. В то же время и здесь есть подводные камни - если не принимать особых мер, при коммутации могут прослушиваться щелчки.

Для корректной коммутации аудиосигналов используется специальная схема, с помощью которой переключение происходит в момент, когда мгновенные значения сигналов переключаемых источников равны нулю (схема просто ждет, когда такой момент наступит; аудиосигналы меняются очень быстро, и задержка коммутации оказывается практически незаметной).

Рис. 7. Щелчки при переключении аудиосигналов

Рис. 8. Способ избежать щелчков

Другой способ «мягкой» коммутации аудиосигналов - использование аудиомикшера или соответствующих цепей внутри коммутатора, когда первый сигнал плавно «уводится», а другой - «вводится» вместо него (при этом, конечно, неизбежна небольшая слышимая задержка коммутации).

Рис. 9. Мягкая коммутация с помощью микшера

КОММУТАЦИЯ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ

Работа с цифровыми сигналами (SDI, DVI/HDMI, Firewire/DV, AES/EBU, S/PDIF) имеет свои особенности, которые должны учитываться при построении коммутаторов и при работе с ними.

Перетактирование

Обычно все цифровые сигналы (как видео, так и аудио, равно как и большинство сигналов скоростных компьютерных интерфейсов) передаются в строгом соответствии с синхросеткой, т.е. «под руководством» специальных синхросигналов («тактовых» сигналов). Такие синхросигналы в явном или неявном виде обязательно передаются вместе с основным сигналом. Приемник на основе такой синхросетки может выделить полезный сигнал.

Пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов

Если бы в процессе передачи сигнал не «разъезжался» относительно синхросетки, проблем бы не возникало. Однако пока все цифровые сигналы передаются ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО по аналоговым линиям связи (т.к. других пока не изобрели), и поэтому подвержены всевозможным искажениям и воздействию случайных факторов. Поэтому реально принятый на конце длинной линии связи цифровой сигнал оказывается чаще всего сдвинутым по времени относительно «идеального». Самым грозным видом такого сдвига для распространенных видео и аудио сигналов является т.н. «джиттер», или фазовое дрожание. Принятые цифровые импульсы оказываются чуть уже или чуть шире исходных 5 . Если не принимать специальных мер, такие сдвижки могут привести к самым неприятным последствиям, вплоть до срыва или зашумления видеокартинки или «скрежета» в аудиоканале.

Для борьбы с этим явлением применяется т.н. перетактирование (или пересинхронизация, reclocking), т.е. искусственное восстановление правильной фазы («тактов») сигнала, с привязкой его к «идеальной» синхросетке.

Рис. 10. Джиттер и как его подавляют

Схема подавления джиттера точно «знает», в какой момент времени ДОЛЖЕН встретиться очередной фронт или импульс сигнала, и, если реально пришедший фронт или импульс отличается от ожидаемого не слишком сильно (т.е. джиттер еще не превысил критического значения), схема искусственно «подвигает» его на законное место. Чтобы схема могла работать, ей приходится «помнить» внутри себя идеальное положение тактов и синхросигналов (ведь их тоже надо как-то восстановить после длинной линии связи), что достигается с помощью изощренных инженерных решений (чаще всего используется кольцо ФАПЧ с инерционным звеном).

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается

После перетактирования НИКАКОГО джиттера не остается (если он, конечно, изначально не превышал критического значения, после которого с ним уже не справиться). Обычно линии связи обеспечивают уровень джиттера, который легко парируется входными схемами приборов. Именно это позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь (в отличие от аналоговых, которые невозможно восстановить по какому-либо критерию на приемном конце).

Позволяет говорить о том, что цифровые сигналы можно передавать ВООБЩЕ без потерь

Перетактирование также позволяет многократно каскадировать цифровые приборы, т.е. включать последовательно, один за другим, много коммутаторов, распределителей и т.д. Если каждый прибор производит перетактирование, никаких потерь в системе не будет 6 .

Коммутатор цифровых видео или аудиосигналов, если он рассчитан на работу со сколько-нибудь длинными линиями связи (десятки метров и выше), должен быть оснащен схемами перетактирования по каждому входу.

«Умное» взаимодействие

Многие цифровые интерфейсы требуют, чтобы источник и приемник сигнала взаимодействовали друг с другом, например, обменивались некоторой технической информацией. При этом разработчики интерфейса обычно и не предполагали, что между этими двумя может оказаться включенным еще и какой-то коммутатор.

Именно такая история произошла с интерфейсами VGA (по спецификации VESA), DVI (и, чуть позже, с HDMI). Для этих интерфейсов требуется, чтобы дисплей обменивался с компьютером (или иным источником видео, скажем, с DVD-проигрывателем) служебной информацией по интерфейсу DDC. Без такого обмена некоторые компьютеры вообще могут не выдавать картинку на выход, а через интерфейс HDMI, например, не пройдет видео с кодированием HDCP.

В принципе, коммутатору ничего не стоит, кроме собственно цепей для видео, скоммутировать и цепи для обмена через DDC. На рис. 11 видно, что сигналами DDC будут обмениваться дисплей и компьютер 1.

Рис. 11. Проблема обмена служебными данными

Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей

С этой парой все в порядке, а что же компьютеры 2 и 3? Они оказываются «брошенными», без подключенных к ним дисплеев. Возможно, выходы их видеокарт отключатся или перейдут в ждущий режим. Когда коммутатор переключится, например, на компьютер 2, последнему понадобится время, чтобы обменяться с дисплеем данными и ввести свою видеокарту в рабочий режим (а иногда в этом процессе бывают и сбои). Некоторые компьютеры вообще не будут загружаться, если к их видеокарте не подключен какой-нибудь дисплей.

Решение проблемы состоит в том, что коммутатор САМ считывает из подключенного к его выходу дисплея всю информацию DDC, которая может понадобиться в будущем. Впоследствии коммутатор САМ выдает эти данные по запросу в любой компьютер, который подключен к его входу. В результате компьютеры «думают», что к каждому из них подключен собственный дисплей, и охотно выдают картинку на выход.

По аналогичному принципу работают и многие чисто компьютерные коммутаторы (монитор + клавиатура + мышь), которые вынуждены имитировать мышь и клавиатуру для каждого из подключенных к нему компьютеров, хотя реальная мышь и клавиатура всегда подключена лишь к одному из них. В противном случае некоторые компьютеры вообще отказываются работать.

Коммутатор для интерфейса IEEE 1394 (Firewire), например, также вынужден «вести» себя, как концентратор в общей структуре шины, т.е. обладать «интеллектом», позволяющем ему участвовать в сложных процедурах обмена по этому интерфейсу (подробнее см. брошюру «Интерфейсы. IEEE 1394 (Firewire)»).

НАРАЩИВАНИЕ КОММУТАТОРОВ

Несмотря на наличие на рынке моделей коммутаторов с очень большим числом входов и выходов, нередки случаи, когда приходится наращивать возможности коммутационных устройств с помощью их каскадирования или параллельного включения по выходу. Например, такая ситуация возможна, если большой коммутатор не вписывается по габаритам и стоимости.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным

Другой пример – необходимость «роста» системы по мере «роста» ее владельца. Приобретенный изначально коммутатор оказывается тесен, и становится важным, не теряя средств, уже вложенных в оборудование (т.е. не демонтируя старое), расширить его возможности.

В зависимости от заложенных в коммутатор свойств, его наращивание может быть простым или сложным. Рассмотрим несколько способов решения данной задачи.

Увеличение числа входов

Каскадирование коммутаторов осуществляется путем подключения выхода одного блока к одному из входов другого. Это возможно для коммутаторов любых типов, но не слишком удобно: добавляет лишнюю ступень коммутации, усложняет управление и выводит из оборота один из входов второго коммутатора.

Рис. 12. Каскадное включение

Гораздо выигрышнее параллельное включение по выходам : выходы нескольких устройств соединяются вместе («монтажное «или»). Правда, для реализации этого решения каждый коммутатор должен иметь функцию отключения выхода, а также логически (программно) поддерживать подобное включение, что есть не во всех моделях.

Рис. 13. Запараллеливание выходов

Увеличение числа выходов

Если имеющееся число выходов недостаточно, параллельно первому коммутатору можно поставить дополнительные, а их входы объединить. Для этого помимо самих коммутаторов используются усилители-распределители, имеющие несколько выходов (как было показано ранее на рис. 2).

Однако потребность в дополнительных устройствах – усилителях – исчезает, если обратиться к моделям матричных коммутаторов с проходными входами и выходами (сквозной канал). Каждый такой вход одного коммутатора соединяется с соответствующим выходом другого, а встроенный терминатор (резистор нагрузки линии) включается только в последнем 7 .

Рис. 14. Коммутаторы, объединенные по одному из своих входов через проходные выходы

В некоторых компактных коммутаторах для экономии места разъемы для проходных выходов не предусмотрены, хотя возможность отключения терминаторов имеется. В этом случае можно использовать недорогие T-коннекторы («тройники») для получения того же результата 8 . Их надевают на входы прибора (обычно разъемы BNC), а к двум оставшимся гнездам тройника подключают входной кабель и кабель к следующему коммутатору.

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы

Объединение нескольких матричных коммутаторов как по входам, так и по выходам позволяет наращивать размерность коммутационной системы: например, с помощью четырех блоков 16 х 16 можно получить матрицу 32 х 32. Иногда такие решения оказываются функционально более гибким и предпочтительным по бюджету: можно начать с системы на дешевом маленьком коммутаторе, и в дальнейшем наращивать ее, докупая дополнительные приборы.

Рис. 15. Увеличение числа входов или выходов одновременно
(Нажмите на фото для увеличения)

Если предполагается значительное расширение системы (более чем вдвое), лучше сразу приобретать коммутатор максимальной размерности, но укомплектованный лишь тем количеством блоков входов/выходов, которое необходимо вначале

На рис. 15 приведен пример такого расширения коммутатора (видео+аудио); можно убедиться, что при увеличении вдвое числа входов и выходов приходится вчетверо увеличивать число матриц. Если понадобится еще двукратное увеличение (до 64 х 64), матриц понадобится уже 16 комплектов. При столь резком расширении наращивание системы отдельными матрицами становится невыгодным.

Если предполагается значительное расширение системы (более чем вдвое), лучше сразу приобретать коммутатор максимальной размерности, но укомплектованный лишь тем количеством блоков входов/выходов, которое необходимо вначале. Модульная конструкция многих приборов большой емкости позволяет реализовать такой подход. В дальнейшем, по мере роста системы, останется лишь докупить и установить недостающие модули, не связываясь с путаницей кабелей и сложным программированием систем, подобным показанной на рис. 15.

Наращивание функциональности

Кроме роста коммутаторов «вширь», возможен и рост их «вглубь», т.е. по типу поддерживаемых сигналов. В частности, видеосигналы форматов CV (композитный), YC (s-Video), YUV (компонентный) отличаются лишь числом видеоканалов (1, 2 или 3), которые надо коммутировать одновременно. В результате, построив систему с базовым качеством видео (CV), можно в дальнейшем улучшить ее до качества YC, а затем и до качества YUV.

Рис. 16. Наращивание матрицы «вглубь», по качеству сигнала

Для такого роста матричные коммутаторы должны «уметь» работать сообща (по нескольку штук впараллель), одновременно исполняя команды на коммутацию. Эта возможность должна быть оговорена в их характеристиках, однако и при ее отсутствии такую работу матриц может сымитировать правильно запрограммированная внешняя система управления.

Отметим, что, если полоса пропускания матриц изначально выбрана с определенным запасом, компонентный вариант позволит также перейти к работе с телевидением высокой четкости (для варианта 1080i необходима полоса пропускания более 70 МГц), а при добавлении матриц для каналов H и V – и с сигналами класса VGA. Подробнее о компонентных сигналах см. статью «Интерфейсы. Сигналы VGA и компонентный».

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ КОММУТАТОРОВ

Для удобства управления матричными коммутаторами, с помощью которых часто реализуют очень сложные коммутационные комбинации с множеством входов и выходов, предусмотрена функция отложенного срабатывания ключей (переключение с подтверждением). Необходимая комбинация входов и выходов набирается заранее, а в нужный момент эта комбинация активируется одним нажатием на кнопку Take. Та же процедура возможна и через интерфейсы дистанционного управления.

Несколько комбинаций входов/выходов могут сохраняться в памяти матричного коммутатора (например, кнопкой STO) и перебираться оператором произвольно (например, кнопкой RCL), что явно облегчает ему жизнь.

Преимуществом таких методов управления является и то, что все внутренние перекоммутации осуществляются одновременно и сразу (а не по одной).

Дополнительной полезной функцией матричного аудиокоммутатора (для аналогового звука) является возможность регулировки уровня сигнала по входу и/или по выходу. В этом случае входная регулировка позволяет выровнять все источники звука по уровню (с тем, чтобы при переключении не было резких скачков громкости). Регулировка уровня выхода может использоваться в качестве регулятора громкости. Например, в многокомнатных (многозонных) системах, где каждый выход матрицы работает на свою зону, слушатель в своей зоне будет регулировать уровень для своего выхода матрицы (о таком его использовании должна позаботиться централизованная система управления аппаратурой).

УПРАВЛЕНИЕ КОММУТАТОРАМИ

Большинство коммутаторов оборудовано собственными органами управления (кнопками, ручками, дисплеями), которые позволяют оперировать с ними в ручном режиме 9 .

Однако во многих случаях коммутатор, установленный в закрытой стойке где-то в аппаратной, оказывается труднодоступен. В этом случае на помощь приходят панели дистанционного управления, которые производители обычно выпускают для своих коммутаторов.

Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах

Пограммируемые панели позволяют, например, управлять только назначенными для них выходами матрицы, либо производить какие-то сложные, заранее запрограммированные действия нажатием одной кнопки. Обычно к одному коммутатору можно подключить сразу несколько панелей управления, установленных в разных местах.

Другой распространенный подход – использование управляющей системы на основе компьютера или специализированного контроллера. В этом случае возможна реализация сколь угодно изощренных алгоритмов управления (например, по расписанию, по плей-листу, в сочетании с системой «умный дом») и интерфейсов для пользователя. Большинство производителей снабжают свои коммутаторы бесплатным или продаваемым отдельно программным обеспечением для управления ими от компьютера.

Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления

Знание коммуникационного протокола, по которому осуществляется управление коммутатором, позволяет программисту настроить контроллеры или систему управления. Важно, чтобы производитель оборудования предоставлял описание своего протокола управления, в противном случае возможности построения произвольных систем будут ограничены только решениями данного производителя.

Обычно приборы имеют стандартные последовательные интерфейсы управления RS-232C, RS-422, RS-485. Эти традиционные интерфейсы имеют ряд ограничений, однако широко распространены и просты в использовании. В современных коммутаторах также широко используются компьютерные интерфейсы: Ethernet, USB, беспроводные: ИК-лучи, Bluetooth, Wi-Fi. В следующей таблице приведены краткие данные о популярных проводных интерфейсах.

1 Разумеется, при использовании УР с большим числом выходов и увеличении числа коммутаторов можно получить матрицы каких угодно размеров.
2 А также использованием дорогостоящих комплектующих и тяжелого и дорогого «железа». При построении коммутаторов, как и другого оборудования, постоянно приходится соблюдать баланс между ценой и качеством и искать оптимальные компромиссы.
3 В малых бюджетных студиях в качестве такого генератора иногда используют один из источников сигнала, отличающийся хорошим качеством и никогда не выключающийся. Все оборудование «привязывается» именно к нему. Это дает небольшую экономию бюджета, но может создать непредвиденные трудности, когда этот источник сигнала по ошибке все-таки выключат.
4 TBC также иногда называют по-русски «корректором временных искажений». Он же входит в состав «камерных каналов». Многие TBC «умеют» заодно и транскодировать системы ТВ (NTSC/PAL/SECAM), и обрабатывать видеосигнал в качестве видеопроцессоров.
5 Сужение или расширение носят случайный, шумообразный характер, и их обычно трудно как-то предугадать и скомпенсировать введением какой-то постоянной добавки (задержки).
6 Для аналоговых сигналов при каскадировании неизбежно накапливаются шумы, помехи и искажения, добавляемые в каждом каскаде системы. Это фундаментальное свойство; по этой причине следует избегать излишнего каскадирования в аналоговых системах.
7 Терминатор – согласованная нагрузка (обычно – резистор 75 Ом), нужен для согласования волнового сопротивления кабеля со входом прибора.
8 Удобны специальные тройники, у которых оба гнезда направлены в сторону, противоположную вилке (а не под 90° от нее) – Y-коннекторы; к ним гораздо удобнее подключать кабели в «гуще» проводов.
9 Некоторые большие коммутаторы могут и не иметь собственных панелей управления, т.к. в «ручном» режиме их практически никогда не используют. Они рассчитаны на работу только с внешними системами управления.
10 Отметим, что в большинстве приложений даже скорость 9600 бит/с для управления коммутатором оказывается избыточной.

Коммутатором называют устройство, позволяющее коммутировать (включать или переключать) электрические сигналы. Аналоговый коммутатор предназначен для коммутации аналоговых, т. е. изменяющихся по амплитуде во времени сигналов.

Отмечу; что аналоговые коммутаторы с успехом можно применять и для коммутации цифровых сигналов.

Обычно состоянием «включено/выключено» аналогового коммутатора управляют подачей управляющего сигнала на управляющий вход. Для упрощения процесса коммутации для этих целей используют цифровые сигналы:

♦ логическая единица - ключ включен;

♦ логический ноль - выключен.

Чаще всего уровню логической единицы отвечает диапазон управляющих напряжений, лежащих в пределах от 2/3 до 1 от напряжения питания микросхемы коммутатора, уровню логического нуля - зона управляющих напряжений в пределах от 0 до 1/3 от напряжения питания. Вся промежуточная область диапазона управляющих напряжений (от 1/3 до 2/3 от величины напряжения питания) соответствует зоне неопределенности. Поскольку процесс переключения носит, хотя и неявно выраженный, пороговый характер, аналоговый коммутатор можно рассматривать по отношению к входу управления как простейший .

Основными характеристиками аналоговых коммутаторов являются:

К числу недостатков переключателя можно отнести то, что предель-

При включении генератора оба ключевых элемента микросхемы разомкнуты. С2 через R5 заряжается до напряжения, при котором ключ DA1.1 включается. На резистивный делитель R1-R3 подается напряжение питания; С1 заряжается через R4, R3 и часть потенциометра R2. Когда напряжение на его положительной обкладке достигнет напряжения включения ключа DA1.2, произойдет разряд обоих конденсаторов, и процесс их заряда- разряда будет периодически повторяться.

Для проверки исправности элементов световой индикации необходимо кратковременно нажать кнопку SA1 «Тест».

При работе на индуктивную нагрузку (электромагниты, обмотки и т. п.) для защиты выходных транзисторов микросхемы вывод 9 микросхемы следует подключить к шине питания, как показано на рис. 23.26.

Рис. 23.24. Структурная Рис. 23.26. включения микросхемы

микросхемы ULN2003A (ILN2003A) (JLN2003A при работе на индуктивную нагрузку

UDN2580A содержит 8 ключей (рис. 23.27). Она способна работать на активную и индуктивную нагрузку при напряжении питания 50 В и максимальном токе нагрузки до 500 мА.

Рис. 23.27. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN2580A

UDN6118A (рис. 23.28) предназначена для 8-и канального ключевого управления активной нагрузкой при максимальном напряжении до 70(85) В при токе до 25(40) мА. Одна из областей применения этой микросхемы - согласование низковольтных логических уровней с высоковольтной нагрузкой, в частности, вакуумными флуоресцентными дисплеями. Входное напряжение, достаточное для включения нагрузки - от 2,4 до 15 В.

Совпадают с микросхемами UDN2580A по цоколевке, а по внутреннему строению с микросхемами UDN6118A другие микросхемы этой серии - UDN2981 - UDN2984.

Рис. 23.29. Строение и цоколевка микросхемы аналогового мультиплексора ADG408

Рис. 23.28. Цоколевка и эквивалентная микросхемы UDN6118А

Аналоговые мультиплексоры ADG408!ADG409 фирмы Analog Device можно отнести к управляемым цифровым кодом многоканальным электронным переключателям. Первый из мультиплексоров (ADG408) способен переключать единственный вход (выход) на 8 выходов (входов), рис. 23.29. Второй (ADG409) - переключает 2 входа (выхода) на 4 выхода (входа), рис. 23.30.

Максимальное замкнутого ключа не превышает 100 Ом и от напряжения питания микросхемы.

Микросхемы могут питаться от двух- или однополярного источника питания напряжением до ±25 В, соответственно, коммутируемые сигналы по знаку и амплитуде должны укладываться в эти диапазоны. Мультиплексоры отличаются малым потреблением тока - до 75 мкА. Предельная частота коммутируемых сигналов - 1 МГц.

Сопротивление нагрузки - не менее 4,7 кОм при ее емкости до 100 ηФ.

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и Техника, 2013. -352 с.

Наверняка у многих радиолюбителей, особенно старшего поколения, в закромах до сих пор пылятся микросхемы «жёсткой» логики типа серий К155, КР1533, К561 и аналогичных. Многие с них начинали своё знакомство с цифровой техникой. В эпоху микроконтроллеров такие микросхемы применяются всё реже и реже, а выкинуть подобный "раритет " не у каждого поднимется рука...

Попробуем найти им хоть какое-то применение, а в разрезе нашего издания, разумеется, попытаемся их пристроить в аудиотехнику.

Предлагаемая конструкция селектора входов усилителя позволяет с помощью удобного и модного валкодера переключать входы вашего аппарата, а также выбирать какой из них будет активирован при включении питания (валкодер должен иметь функцию нажатия кнопки). Забавная схема получилась, однако.

В промышленных аппаратах это выглядит примерно так:

Теперь свой усилитель вы можете тоже оснастить таким модным коммутатором.

Плюсы устройства:

• довольно удобная коммутация входов с различными вариантами индикации активного входа
• низкая стоимость и доступность комплектующих элементов,
• отсутствие тактовых сигналов (истинные аудиофилы могут смело встраивать этот селектор в свои ламповые усилители — схема генерирует импульсы только в момент переключения входов .)
• возможность выбрать и при необходимости оперативно поменять вход, который будет активироваться при включении усилителя.
• количество коммутируемых входов можно изменять от 2 до 10.

Справедливости ради отметим и минусы устройства:

• нерациональное использование микросхемы памяти. В работе задействована только одна ячейка. Хотя, учитывая нынешнюю стоимость таких микросхем, этот недостаток можно считать несущественным.
• отсутствие дистанционного управления.
• относительная сложность. На микроконтроллере всё было бы гораздо проще, хотя не факт, что дешевле.
• повышенное энергопотребление. Зависит от примененной серии микросхем. На фоне общего потребления электроэнергии ламповым усилителем этот недостаток тоже весьма относительный.

Принципиальная схема устройства представлена на рисунке:

Увеличение по клику

На микросхеме IC7 выполнен подавитель дребезга контактов валкодера. Элементы IC8A, IC8B, IC1a, IC1C формируют счётные импульсы в одном канале при вращении валкодера в соответствующую сторону, блокируя второй канал для предотвращения ложных срабатываний. Счётные импульсы поступают на реверсивный счётчик IC3, который является «сердцем» данного устройства.

С выходов счётчика двоичный код выбранного входа поступает на дешифратор — микросхему IC6. С выходов дешифратора сигналы через буферные каскады (на схеме не показаны) используются для управления реле или электронными ключами, которые непосредственно коммутируют входы усилителя.

Также сигналы с выводов 1 и 10 используются для блокировки счёта при достижении первого или последнего входов. В показанном на схеме варианте селектор способен коммутировать 9 входов. Если нужно меньше, например 4 входа, то вывод 6 микросхемы IC1B следует подключить к 4 выводу микросхемы IC6.

С выходов двоичного счетчика (кстати, если входов меньше 10, то можно использовать и двоично-десятичный счётчик) двоичный код выбранного входа поступает также на двунаправленный буфер IC5. При нажатии на кнопку валкодера через подавитель дребезга контактов на элементе IC8C элементами IC2a IC2B формируются управляющие сигналы для записи кода активного входа в энергонезависимую память EEPROM IC4 в ячейку с нулевым адресом.

При включении питания микросхема памяти выставляет на шину данных значение, записанное в нулевую ячейку памяти. Это значение загружается по асинхронным входам в счетчик IC3 по импульсу, сформированному цепью R6, R7, C6. Так происходит активация выбранного входа.

Организовать индикацию активного входа можно двумя способами.

Первый способ — это к выходам дешифратора IC6 подключить светодиоды. Тогда получится вариант, как показан на первом рисунке (смотри выше).

Второй способ более продвинутый. К выходам счётчика A B C D можно подключить через дешифратор типа КР514ИД1/КР514ИД2 семисегментный светодиодный индикатор, который будет показывать номер выбранного входа.

Так как высокое быстродействие от схемы не требуется, то в устройстве можно применить цифровые микросхемы разных серий, от чего будет зависеть потребляемая мощность.

Отечественные аналоги используемых микросхем:

• IC1, IC2, IC7, IC8 — 4093 — К561ТЛ1 и аналогичные
• IC3 — 74HC193 - КхххИЕ6, КхххИЕ7
• IC5 — 74HC245 — КхххАП6 (АП4 или АП5 с изменением схемы)
• IC6 — 74HC42 — КхххИД6 (можно применить другие дешифраторы в зависимости от требуемого количества коммутируемых входов)

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор».

Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты».

Удачного творчества!

Коммутатор переключает до четырех различных стереофонических источников сигнала звуковой частоты. Он предназначен для установки на входе предварительного усилителя звуковой частоты аудиоцентра. Коммутация - квазисенсорная, при помощи четыре переключающих кнопок без фиксации. Индикация номера включенного входа при помощи одноразрядного светодиодного семисегментного индикатора (показания от "0" до "3").

Роль переключающего устройства выполняет двухканальный четырех-позиционный мультиплексор. Принципиальная схема показана на рисунке. Квазисенсорное устройство выполнено на основе четырех-фазного триггера D1 - К561ТМ3. К его входам подключены четыре кнопки S1 - S4. Первоначально, при включении питания все триггеры микросхемы установлены в нулевое положение, поскольку контакты кнопок S1-S4 в исходном не нажатом состоянии подают на все входы "D" логические нули.

При этом на выходах триггеров устанавливаются так же нули, и включается первый вход, потому что на управляющие входы (выв. 10 и 9) мультиплексора D2 через резисторы R6 и R7 поступают нули и открываются первые каналы мультиплексора. Одновременно, эти же нули поступают на входы дешифратора D3 и индикатор Н1 индицирует "0".

При нажатии на кнопку S1 положение не изменяется. При нажатии на кнопку S2 на вывод 7 D1 поступает единица через R3, и в это же время через S2 на общие входы С1 (вывод 5) поступает нуль. В результате состояние с входа D второго триггера переносится на его выход и второй триггер микросхемы D1 устанавливается в единичное состояние. При этом на выводе 10 D1 устанавливается единица, которая через диод VD2 поступает на вывод 10 D2 и вывод 5 D3. В результате мультиплексор закрывает свои первые каналы и открывает вторые, подключая вход 2 (Х2) к выходу (Х5). На индикаторе появляется цифра "1".

При нажатии на кнопку S3 единица через R4 поступает на вход D третьего триггера (вывод 13), а нуль на общий вход С1 (вывод 5). В результате, установленный ранее в единичное состояние второй триггер возвращается в нулевое, а третий переходит в единичное. При этом на выводе 11 D1 устанавливается единица, которая через диод VD3 поступает на управляющий вход 2 (вывод 9) D2 и на вывод 3 D3. В результате разъем Х5 по внутренним каналам мультиплексора D2 переключается на третий вход (разъем ХЗ), а на индикаторе Н1 отображается цифра "2".

При нажатии на кнопку S4 четвертый триггер переходит в единичное состояние, а третий, или какой то другой, включенный до того, устанавливается в нулевое положение. В результате единица появляется на выводе 1 D1 и она через диоды VD1 и VD4 поступает одновременно на оба управляющих входа D2 и на оба входа D3. В результате включается четвертый вход (Х4), и на индикаторе отображается цифра "3".

Таким образом, нажатие на любую кнопку приводит к установке одного триггера, к входу D которого подключена эта кнопка, в единичное состояние. При этом любой" другой триггер, который был установлен в единичное состояние ранее, принудительно переводится в нулевое. Поэтому кнопка S1 служит для перевода в нулевые состояния всех остальных трех триггеров, и таким образом получается на входе D2 код "00" и включается первый вход.

Мультиплексор D2 питается двухполярным напряжением, отрицательное напряжение, поступающее на вывод 7 должно быть не более 5В и не менее 1 В, оно служит для переноса входного сигнала в линейный участок передаточной характеристики открытого канала мультиплексора, в котором коэффициент нелинейных искажения сигнала ре превышает 0,01%. При отсутствии отрицательного напряжения КНИ может возрасти до нескольких процентов. Нужно учитывать, что разность потенциалов, приложенная между выводами 16 и 7 D2 не должна превышать 15В (9+5=14В).

При отсутствии дешифратора К176ИД2 или семисегментного индикатора можно сделать индикации при помощи четырех светодиодов, при помощи которых подсвечивать кнопки. Светодиоды нужно, через транзисторные ключи, подключить к выходам всех четырех триггеров D1 (выход первого - вывод 2, на схеме он не показан).

Мультиплексор К561КП1 можно заменить на два мультиплексора К561КП2, используя каждый только на половину (К561КП1 переключает восемь одноканальных входа). Микросхему К561ТМ3 можно заменить на К176ТМ3. К176ИД2 можно заменить на К176ИДЗ или на КР514ИД2, но при этом питание прийдется понизить до +5В. Диоды КД522 можно заменить на КД521, КД503, или даже на Д9 или Д220-Д223.

Если будет использоваться индикатор Н1 с общими катодами, нужно его общий вывод подключить к общему проводу и подать логический нуль на вывод 6 D3.