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测量开关和扫描器 Low Thermal Scanner

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

PhotoMos开关的弱点,一个是内阻大,欧姆级,可能不太适合某些用途。另外,也许是我的屏蔽不好的原因,噪音比较大。最后,PhotoMos开关必须用电源,尽管电流不大。

复杂全功能开关一例
vvipi设计了个采用PhotoMos的全功能的开关,16×4、32×2和64×1可转换,仍然在设计中,初步电路如下:

这开关的特殊之处,在于64×1,好像是给温度巡回检测用的。磁保持继电器开关DIY
扫描器若是采用PhotoMos,尽管耗电不大(mA级),但也必须提供电源,要么电池,要么变压器,或者要用一个可能会引起麻烦的USB,复杂、体积也上来了。
用磁保持继电器,只在动作时短暂耗电(ms级),因此平均耗电非常小。同时,无论开关路数多少,每一次转换只有一路耗电,所以可以做到一样省电,这样就可以做到万用表VMC取电,免除很多麻烦。
74HC耗电极少,电源电压2V-6V,非常适合此处。电源电压设计成3.5V-3.6V,一方面给驱动继电器留有余量,另一方面也给取电保留空间。
尽管可以从lly的GPIB卡取电,但要多一条线,就复杂一层,也多了一个可能的干扰。而VMC取电就很方便,BNC接过来很可靠,因为VMC触发是必需的。


团购的磁保持继电器
磁保持继电器具有耗电非常小的特点,因此热电势就低,适合做自动开关。最近团购了Omron的2切换触点的G5AK-237P,体积很小,为普通双列直插14脚IC那么大,只不过厚一些。体积小的弱点是承载能力差,当然我们用做信号开关也足够了。体积小的优势在于安装密度高,而且线圈驱动几乎不变,这样其实均温更好。


对比一下,34401A里面用了三个G6AK-274P,参数也非常类似。


磁保持继电器到手,初步测试一个,S线圈122欧、R线圈127欧,可以用一个线圈加上正、反两个方向的电压来驱动。
另外,两个线圈可以反向串联为250欧,还是额定5V就可以驱动,电流减少到20mA!这样用一个74HC门就可以驱动了,大大简化了驱动电路。
或者,两个线圈可以反向并联为63欧,还是额定40mA就可以驱动,电压减少到2.5V,按照指标2.0V就可以保证驱动。

再次测试4个继电器,有离散,而且Set和Reset电压不很对称。但是正反向,动作电压均在2.2V到2.95V之间。
另外,6V下用10uF电容可以动作,5V下用22uF电容可以动作,4.2V下用33uF可以动作,3.85V下用47uF可以动作。
看来,用74HC驱动的话,供电电压5V,需要47uF最少。

解剖一个看内部,感觉结构很合理,无论在1和2的哪个状态,是左右完全对称、磁路闭合的。每个切换动片分开成两个触点,端部镶嵌有白色的软金属(貌似为银),定触点黄色,很容易被划痕,因此应该是镀金的,金属也很软。





热电动势的测试
一个就是“绝对法”,或者叫短路法。其中E1和K1是继电器的等效电路,E0是其它电势。先闭合开关K1读出E1+E0,然后关掉K1合上外部的K0,就只读E0,这样,二者减去,就得到继电器的热电动势E1。由于开关K0可能要引入自己的热电动势,因此要小心行事,测试时采用同一对引线进行饶接,这样能使的引入的附加热电动势最小。


另一个就是相对法/轮流法。同时接上多个继电器并联,分别短路,测得E1+E0、E2+E0、、、En+E0,然后分析这个系列就能得到平均值、Vpp等,其离散程度就可以作为这组继电器热电动势大小的一个衡量。
这种测试的原理就是热电动势的离散性。如果多个同时测试,极性接法各异,测试的结果还都一致,那说明本身热电动势就很小。
 



多路开关DIY
功能需求:
1、路数8,可扩展到16
2、不需要电源,从万用表的VMC(测量完毕)端口直接取电
3、驱动主要用VMC,另外有个手动的步进按钮。驱动按顺序进行,这才是真正的扫描
4、可以设置提前循环结束。例如8路开关,可以设置到6路循环
5、可以考虑每路均用LED指示,但由于耗电的原因,只能短暂的闪一下
6、按照4刀来设计,这样可以适合4线电阻测试。当然,安装的时候可以只焊接2刀的
7、可选外接电源和定时触发

由于有耗电要求,电路一律采用CMOS数字电路。电源照例可以采用3.5V或3.6V,这样用4000系列或74HC系列都可以。但末级驱动必须用74HC的,最好用BUS驱动的那种,否则电流不够。
引线拟采用屏蔽网线直接焊接。一方面简单便宜体积小来源广,另一方面也是减少中间环节,而且还是低热的,引线接头可以直接拧在基准、表的接线柱上,用坏了重新剥皮。

核心计数/扫描芯片可以考虑:
1、4017,这个直接输出,可以做到10路或20路,简单。但是,输出引脚不规则,做提前扫描终止也比较麻烦
2、HC393,双4,简单好用,可扩展能力超强。输出是2进的,需要HC138或HC154译码。
3、HC161/163,这是可预置4位2进计数器,功能强一些,因此提前结束可以用预置,省去HC85,但这样的话是从前面省略的,比较怪一些
4、HC595,移位寄存器

多路磁保持扫描器已经另外开了帖子:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=3658


有关提前扫描终止
所谓循提前环终止,就是比如开关能力是16,但我在某应用中只接了5个设备,希望循环到5就重头来,而不是等到后面的11个空闲都无谓的扫描后才归位
提前扫描终止是循环扫描的特殊性问题,也要求把所有的设备接到前面
提前扫描终止的实现,在4017的场合,可以用一个10选1的开关,接到Reset上。
对于HC393/HC161的提前终止,可以采用4位2进开关(0-9、A-E),配合HC85比较器,比较符合后,给到计数器的Reset。这种开关有两类,一类是装PCB的小型的,这个可能寿命有限,不适合经常调整


下面这种按钮的,好像只有0-9的,没有带A-E的,这样只适合4017,或者16位开关被限制到9最大。
  


有关时序和延时
由于继电器打开关闭的延时和延时的不确定性,同一时刻给两个继电器发出断开和闭合脉冲,很有可能一个还没断开、另一个已经吸合,这样就造成相邻被测试量的短暂短路,这是不允许的。因此,要加上必要的电路,先让断开的继电器先动作,然后延时一定时间后,再驱动闭合继电器,在此期间有个全断的过渡状态。
最直接的方法,是在每一路驱动上加上非对称延时,比如zsjiaming的这个电路,打开延时30ms左右,开断不延时,红色是信号,绿色是延时后的信号:


这种方法很有效,但缺点是元件多,在多路的情况下每路要增加3个元件,甚至可能要增加一个门。
另外一种方法,可以考虑把继电器相间接入,即隔一个输出接一个继电器,主触发后,延时再来一个辅触发,也就是脉冲一个长、一个短
至于有人提出采用HC240的使能端加延时的办法,是不可行的。因为,切换驱动需要断开一个、合上一个,而使能端只能使输出处于开路状态,不能驱动继电器断开。换句话说,这是磁保持继电器,并非断电就断开,而是断开继电器是需要驱动的。


有关上电复位
刚装好的扫描开关,继电器的状态是无序的。运输、强烈振动也会改变继电器。即便是掉电了再恢复,状态也是不确定的
Dataproof是靠多余的触点进行探测的,即便掉电重新加电,也知道到底哪个继电器处于导通状态,并有另外一个触点,负责关断
但这种办法显然不适合我们这种只有2刀的继电器,所以要妥协。妥协方法:
1、每路用一个刀做探测。但这样下来,继电器的利用率只有50%,每路要用4个继电器
2、开机后循环走一圈。但由于无法知道关机前是哪个继电器是吸和状态,因此在循环的过程中,会多次出现两个继电器同时导通的状态
3、掉电后,把导通的继电器关掉。关掉的能量来自另一个后备电容电源,时间常数大几倍的
4、用后备电源,“永久”记忆掉电后导通的位置。重新开机后从这个位置继续
这个方法的弱点,是任何东西都很难永久,要想时间长,就要增加复杂程度


。。。。。。。。
模仿DP 164A,16×4和32×2两用,但完全可以根据自己的需要少装继电器而形成比如8×4和16×2转换,可以接入8个4线电阻,或者16个电压基准。可以手动扫描、自动扫描、万用表控制扫描,扫描结束点可以控制(或者是可以选择扫描跳过点),引线全部采用单芯屏蔽线直接从电路板上焊接的方式,这样不仅省掉了众多的接线柱,而且低热性能好。
。。。。。。。。


特殊开关/扫描器

Guarded Scanner
用于高阻测试,可以排除普通开关漏电的影响。



Jake
美国NIST利用DCC和替换技术与QHR,可以使得电阻的对比误差减少最小。而其中的替换就是用如下机械手来实现的,实际上也是一种开关。
 

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