陶有軍

(西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安710082)

0 引言

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)及樓宇安防、銀行監(jiān)控等過(guò)程中，很多時(shí)候需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)物理量進(jìn)行采集、檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和傳輸，一般情況下，都需要將非電量諸如溫度、壓力、流量、聲音、畫(huà)面等轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)，然后經(jīng)“多選一”開(kāi)關(guān)傳輸?shù)胶罄m(xù)設(shè)備，進(jìn)行所需的監(jiān)視、監(jiān)控及其它處理。本文討論的問(wèn)題就是用TTL電路設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、新穎、實(shí)用的“多選一”巡回傳輸開(kāi)關(guān)電路。

1 總體設(shè)計(jì)思路

圖1 原理性電路圖

現(xiàn)在假設(shè)有8個(gè)房間的視頻信號(hào)要經(jīng)過(guò)“多選一”開(kāi)關(guān)傳輸?shù)奖O(jiān)控室的CRT上，正常情況下，按照1－2－3－4－5－6－7－8－1－2…的順序輪流將不同房間的視頻信號(hào)切換進(jìn)來(lái)，每一路信號(hào)顯示或等待的時(shí)間長(zhǎng)短可以在0.5秒至幾十秒之間自由調(diào)節(jié)。如果1、4、6號(hào)房間無(wú)需監(jiān)控，則參加循環(huán)顯示的信號(hào)中沒(méi)有1、4、6路信號(hào)，即剔除這3路開(kāi)關(guān)，剩下的其它5路順序接通，接通的順序變?yōu)?－3－5－7－8－2－3…。怎樣剔除這3路開(kāi)關(guān)信號(hào)呢?實(shí)現(xiàn)的方法很簡(jiǎn)單，只要在控制面板的8路開(kāi)關(guān)IN1－IN8中將1、4、6路對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)IN1、IN4、IN6接低電平就可以了。余此類(lèi)推，哪幾路開(kāi)關(guān)需要接通或者不需要接通完全由面板控制開(kāi)關(guān)IN1－IN8決定。需要在終端接通2－3－5－6－8路開(kāi)關(guān)，則在控制面板上將對(duì)應(yīng)的單刀雙擲開(kāi)關(guān) IN2、IN3、IN5、IN7、IN8都接高電平就可以了。終端的1、4、6路開(kāi)關(guān)不需要接通，將控制面板上的開(kāi)關(guān)IN1、IN4、IN6接低電平即可。

顯然，在上面的電路圖中，IN1－IN8是控制面板上的單刀雙擲開(kāi)關(guān)。被控制的終端視頻信號(hào)開(kāi)關(guān)，可以是各種三極管、晶閘管等軟觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)，也可以是繼電器等機(jī)械開(kāi)關(guān)，它們的通斷是由U12模塊(74LS138)輸出電平的高低來(lái)控制。當(dāng)然，繼電器等功率開(kāi)關(guān)前面還需設(shè)置適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路。

2 具體方案

555電路設(shè)計(jì)為多諧振蕩器，利用阻容元件來(lái)定時(shí)，振蕩器輸出脈沖作為計(jì)數(shù)器74161的輸入信號(hào)。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)振蕩器，通過(guò)電阻電容參數(shù)的選擇，使得時(shí)間常數(shù)T1=0.693(RV1+R1)C2很大，而時(shí)間常數(shù) T2=0.693(R4+R6)C1很小。T1的長(zhǎng)短就是每一路開(kāi)關(guān)輪流導(dǎo)通的時(shí)間，只要適當(dāng)改變電阻電容的參數(shù)，就可以改變被控開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間長(zhǎng)短，從理論上講，時(shí)間長(zhǎng)短的設(shè)置是任意的。當(dāng)然實(shí)際選擇元件時(shí)還是有所講究，比如為了調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)T1的長(zhǎng)短，選擇改變電阻值就比改變電容值要方便，還有電容本身比較貴，特別是漏電小的高質(zhì)量電容。而且電容容量選得太大時(shí)還面臨漏電流增大的風(fēng)險(xiǎn)。T1和T2各有所用，T1代表開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間，一般情況下0.5秒到幾十秒都有可能，而T2則很短，相對(duì)于T1來(lái)說(shuō)T2其實(shí)就是“一閃而過(guò)”。

還是以前面的8路開(kāi)關(guān)電路為例，假設(shè)1、3、5、7路開(kāi)關(guān)需要輪流接通，則它們對(duì)應(yīng)的接通時(shí)間由T1來(lái)決定。而2、4、6、8路開(kāi)關(guān)無(wú)需控制，它們對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間由很短的T2來(lái)控制。通電以后，電路還是按照1－2－3－4－5－6－7－8－1－2－3…的順序輪流接通，但是1、3、5、7路開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間都是 T1，而2、4、6、8 路接通的時(shí)間則是 T2，T2 相對(duì)于 T1來(lái)說(shuō)非常小，所以不需要接通那一路的話，就讓它的導(dǎo)通時(shí)間是T2而“跳”過(guò)?，F(xiàn)在假設(shè)只需要輪流接通1和8路，中間要跳過(guò) 2、3、4、5、6、7 共計(jì)6 個(gè)窄脈沖。

這樣的設(shè)計(jì)會(huì)不會(huì)出現(xiàn)切換的死區(qū)呢?也就是說(shuō)，1路已經(jīng)關(guān)斷，8路還沒(méi)接通之前，從時(shí)間上講是不是要等待“跳過(guò)”2、3、4、5、6、7 路之后才接通第 8 路開(kāi)關(guān)呢?考慮到這個(gè)問(wèn)題，特意設(shè)計(jì)了兩塊74LS161，通過(guò)使能端的巧妙配合，即使中間跳過(guò)6個(gè)、16個(gè)甚至更多的窄脈沖也不會(huì)出現(xiàn)切換死區(qū)或切換等待時(shí)間。也就是說(shuō)1路和8路開(kāi)關(guān)之間是無(wú)縫切換的，這也是本電路的新穎之處。減小了誤差，提高了精度，增加了可靠性。

元器件的選擇沒(méi)有特別要求，建議通過(guò)可變電位器來(lái)調(diào)節(jié)定時(shí)時(shí)間，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)看，電容不能選得太小(比如PF級(jí))，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有必要把容量選得如此小。以上所述都是以8路開(kāi)關(guān)量為例，實(shí)際使用中若擴(kuò)展為12路，16路甚至24路，電路的性能不受任何影響。只是適當(dāng)調(diào)整定時(shí)元件的參數(shù)就可以了。

圖2 詳細(xì)的電路原理圖

3 仿真結(jié)果

以8路為例的仿真結(jié)果:

圖3 1、2、3、4 路輸出量

圖4 5、6、7、8路輸出量

圖5 1、2、3、4 路中剔除1、2 兩路之后輸出量

圖6 5、6、7、8 中剔除6 路后輸出量

當(dāng) C1=0.22μF，C2=10μF，電位器 RV1=50k 時(shí)，用示波器在74LS138輸出端測(cè)量到的用于開(kāi)關(guān)量控制的輸出波形。因?yàn)?—8譯碼器74LS138輸出低電平有效，所以圖中方波低電平維持寬度為對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)間，上圖所示為控制面板的IN1－1N8全部接通，故開(kāi)關(guān)輪流接通順序?yàn)?－2－3－4－5－6－7－8－1－2…。調(diào)節(jié)電位器 RV1，可以方便地調(diào)節(jié)負(fù)脈沖寬度，也就是開(kāi)關(guān)接通時(shí)間，從0.5秒 到幾分鐘之間可以任意調(diào)節(jié)。

現(xiàn)在，從控制面板的 IN1－IN8中將 IN1、IN2、IN6三個(gè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，則輪流循環(huán)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)中沒(méi)有1、2、6路了，循環(huán)接通順序變?yōu)?－4－5－7－8－3－4…，脈沖寬度仍然維持不變。

4 結(jié)論

因?yàn)楸倦娐肥羌兡?shù)電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在程序控制時(shí)的死機(jī)等問(wèn)題，可靠性很高，從精度方面來(lái)說(shuō)，電阻電容定時(shí)的精度雖然不會(huì)太高，但就本例而言，每一路開(kāi)關(guān)量接通了到底多“長(zhǎng)”時(shí)間本身無(wú)多大意義，而重要的是每一路開(kāi)關(guān)量接通的時(shí)間長(zhǎng)短應(yīng)該一致，也就是每一路開(kāi)關(guān)量維持時(shí)間長(zhǎng)短的重復(fù)性要好，阻容定時(shí)電路在這一點(diǎn)上是可以保證的，所以本產(chǎn)品簡(jiǎn)單、實(shí)用且滿足絕大多數(shù)的使用場(chǎng)合。

［1］陳有卿，葉桂娟.555S時(shí)基電路原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］沈任元，吳勇.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.