Селектор входов для усилителя на реле (DIY).

Чтобы коммутировать несколько входных сигналов на усилитель мощности без постоянного передергивания шнуров используются различного рода селекторы. Ниже представлена принципиальная схема такого селектора, в качестве коммутирующих элементов в ней применены реле на напряжение 12 Вольт. Схема способна коммутировать 4 стереофонических источника звукового сигнала. Входные разъемы RCA и реле располагаются на одной небольшой плате, это позволяет снизить помехи и использовать меньшее число экранированных кабелей. Выбор входов осуществляется миниатюрным галетным переключателем на 4 положения. Так же на плате расположены выпрямитель и фильтрующая емкость блока питания. Принципиальная схема селектора приведена ниже:

На разъем питания подается переменное напряжение 9...12 Вольт от понижающего трансформатора. На схеме после выпрямителя мы видим резистор R* с маркировкой 0R or more. Это сопротивление нужно для ограничения тока при использовании трансформаторов с более высоким напряжением, чем 9 Вольт. При подаче переменного напряжения 9 Вольт просто ставится перемычка. При подаче переменки 12 Вольт после выпрямителя и сглаживающей емкости получится 16,92 Вольта, а это для 12-ти вольтового реле уже многовато, ставим токоограничивающий резистор. Номинал прикидываем по формуле: 16,92-12 / ток обмотки реле.

Конфигурация платы выглядит следующим образом:

На рисунке желтой точкой под резистором R* обозначено место разреза дрожки в случае применения токоограничительного резистора.

Печатная плата релейного селектора входных сигналов в формате LAY6:

Фото-вид платы селектора LAY6 формата:

Разъем RCA стерео – 4 шт.
Реле 12 Вольт HK19F-DC12V-SHG – 4 шт.

Ссылка на страницу товара
Галетный переключатель на 4 положения – 1 шт.
Разъем 5Pin (2,54mm) подключения галетного переключателя – 1 шт.
Разъем 2Pin с болтовым зажимом (подключение питания) – 1 шт.
Разъем 3Pin (подключение выхода селектора на вход усилителя) – 1 шт.
Импортная диодная сборка типа W04, W06 – 1 шт.
Так же на плату можно поставить диодные сборки типа DB102, DB103 или подобные.
Конденсатор электролит 470...1000mF/25-35V – 1 шт.
Диод 1N4001 (в параллель обмоткам реле) – 4 шт.
Светодиод 5mm – 4 шт.
Резисторы в цепь светодиода 1 кОм – 4 шт.
Токоограничительный резистор 200R 0,25W – 1 шт.
Разъемы Input1 – Input4 - 3Pin 2,54mm – 4 шт. Это если вы будете использовать не штатные RCA входные разъемы, а внешние, которые установлены не на плате селектора, а на корпусе усилителя.
И еще один разъем Vcc – для подачи на плату постоянного напряжения питания, в этом случае переменка не подключается, да и диодную сборку можно не впаивать.

Стереоусилитель редко используется только с однимисточником сигнала, для оперативного переключения различных источников сигнала желательно чтобы у стереоусилителя было несколько переключаемых входов.

В простейшем случае входы можно переключать механическим переключателем. Но надежность механического переключателя весьма относительна, его контакты корродируют и в какой то момент возникают шумы, часто связанные с механическим воздействием.

В самом плохом случае даже может возникнуть акустическая обратная связь, при которой вибрации от работы акустических систем передаются изношенному механическому переключателю, контакты которого дребезжат.

В этом смысле, электронный переключатель значительно надежнее. На рисунке показана схема простого электронного переключателя трех входов стереоусилителя, с квазисенсорным управлением и светодиодной индикацией включенного входа.

Схема селектора каналов

Схема состоит из устройства управления, выполненного на микросхеме D1 и электронного переключателя на микросхеме D2.

Рис. 1. Принципиальная схема электронного коммутатора входов для стерео усилителя мощности.

Схема на микросхеме D1 представляет собой широко известную схему трехфазного RS-триггера, реализованную на микросхеме К561ЛА7. Изменение состояния триггера осуществляется кнопками S1-S3, подающими на его три входа логические нули (активный уровень - логический ноль). Соответственно, есть и три выхода (активный уровень тоже - ноль).

Трехфазный триггер может принимать три состояния, в каждом из которых логический ноль есть только на одном из его выходов. Соответственно, на выходе элемента D1.1, D1.2 или D1.3. Состояние триггера индицируется светодиодами HL1-HL3, подключенными к его выходам через транзисторные ключи VТ1-VТЗ.

Ключи выполнены на транзисторах р-п-р структуры, поэтому они открываются логическими нулями, поступающими на их базы с выходов логических элементов через резисторы R4-R6.

Электронный переключатель сделан на микросхеме D2 типа К561КП1. Микросхема содержит два переключателя на два направления и четыре положения, управляемые цифровым кодом, поступающим на управляющие входы. Код управления цифровой и двухразрядный. То есть, всего четыре положения «00», «01», «10» и «11».

Соответственно, открываются каналы «0», «1», «2» и «3». Для управления переключателем берутся логические уровни только с двух выходов трехфазного триггера на D1. В результате, в различных состояниях триггера на D1 получаются коды «01», «10» и «11».

Этого достаточно для управления микросхемой К561КП1 для переключения на три положения («1», «2» и «3»).

Входные сигналы от разных трех источников сигналов поступают на парные разъемы Х1, Х2 и ХЗ. Каждый из них представляет собой пару коаксиальных гнезд «тюльпанов», сейчас широко используемых в различной аудио и видео технике.

Выходным является такой же разъем Х4, но на практике, если переключатель входов будет размещен внутри стереоусилителя, этой пары Х4 может и не быть, просто с выводов 13 и 3 сигнал по экранированным кабелям поступает на вход предварительного УНЧ.

Детали и подключение

Микросхема К561КП1 может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Но, при коммутации аналогового сигнала нужно чтобы он находился между полюсами питания, желательно посредине (при этом будут минимальные искажения аудиосигнала).

Поэтому, второй вывод минуса питания ключей (вывод 7), который обычно соединяется с общим минусом питания, здесь соединяется с отрицательным источником питания (-5V). Таким образом, питание переключателя двухполярное.

С этим нет никаких проблем, так как предварительные УНЧ обычно делают по схемам на ОУ, также, питающимся от двуполярного источника. Если напряжение источника более ±7V, нужно на схему подавать питание через понижающие стабилизаторы, например, на интегральном стабилизаторе 7805 сделать источник +5V, а отрицательный на простои параметрическом стабилизаторе из стабилитрона на 4,7-5,6V и резистора. Светодиоды HL1-HL3 - любые индикаторные, например, АЛ307 или их аналоги.

В любительской практике часто возникает необходимость периодического подключения различных источников звука к одному оконечному усилителю. Каждый раз при этом переставлять разъемы - занятие утомительное. Намного удобнее подключить нужный источник звука простым поворотом ручки переключателя стереофонического электронного коммутатора сигналов, который можно собрать из предлагаемого набора. Он предназначен как для использования в составе любительского усилителя низкой частоты (например, наборы NM2011 или NM2012 - УНЧ, наборы NM2111 или NM2112 - блок регулировок тембра и громкости), так и для самостоятельного применения в различных низкочастотных усилительных устройствах.

Технические характеристики

Напряжение питания [В]...................................................................6-23

Ток потребления не более [мА]...............................................................5

Полоса частот [кГц]...................................................................0.02-1000

Напряжение шумов [мкВ].........................................................................5

Максимальный уровень входного сигнала (эфф.) [В]....................5

Входное сопротивление не менее [кОм]..........................................100

Выходное сопротивление не более [Ом]..........................................400

Коэффициент гармоник не более [%]...............................................0.03

Переходное затухание между входами не менее [дБ]....................75

Описание работы электронного коммутатора

Плата коммутатора в сборе показана на Рис. 1. Электрическая схема стереофонического электронного коммутатора (Рис. 2) построена на основе микросхемы TDA1029, которая представляет собой стереофонический четырехканальный аналоговый мультиплексор. Готовое устройство имеет пять стереовходов и один выход.

Сигналы, подаваемые на вход IN1, поступают непосредственно на микросхему. Это обеспечивает возможность использовать ее полный частотный диапазон, превышающий 1 МГц. Однако рекомендовать его

использование можно только для ограниченного набора источников сигналов. Это связано с тем, что из-за избыточно широкой полосы пропускания микросхемы могут возникнуть помехи от радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне и генераторов, работающих в диапазоне ультразвуковых частот (25...100 кГц). Для ослабления действия возможных помех, во входные цепи IN2...IN4 схемы коммутатора введены ЯС-фильтры низкой частоты (ФНЧ) первого порядка (R1...R6, С9...С14). Подбором характеристик фильтров можно установить необходимую полосу пропускания соответствующего входа.

Входы IN/OUT4 и IN5 - многофункциональные. Вход IN/OUT4 может работать как обычный, универсальный вход, равноценный входам IN2 и IN3. Если необходимо использовать микрофон, к коммутатору дополнительно подключается микрофонный усилитель (в рассматриваемый набор не входит), выход которого соединяют с входом IN5 (на плате обозначен как «input microphone amplifier»). В этом случае разъем IN/OUT4 служит дополнительным выходом микрофонного усилителя, например для записи. При необходимости установить блокировку звука три контакта входа IN5 нужно соединить перемычкой и, установив переключатель SA2, использовать его как быструю блокировку звука (режим «Mute»). Как видно из Рис. 2, нажатие на SA2 приведет к немедленному переключению на заблокированный вход IN4. и звук прекратится. Отпустив кнопку, тут же подключится тот источник, который был прежде. Но в этом случае устройством можно коммутировать всего три входа.

Переключатель SA1 может быть любого типа и устанавливается на передней панели усилителя. На Рис. 2 показано положение иереклю

чателя SA1 при выборе источника сигнала, подключенного к первому входу (IN1). Светодиоды VD1...VD4 также устанавливаются на передней панели и служат для индикации включенного канала. При установке кнопки SA2 светодиод VD4 индицирует режим «Mute».

Переключение каналов мультиплексора происходит при подаче на управляющие выводы микросхемы кодовой комбинации. Соответствие кода, поданного на управляющие выходы, и включенного канала приведено в Табл. 1.

Входное напряжение от источников стереосигнала подается на входы 1...8 микросхемы TDA1029. Кроме того, с вывода 10 на входы 1...8 Микросхемы подается напряжение смещения через резисторы R7...R14.

Конденсаторы Cl...С8 - разделительные. Они предназначены для развязки входных цепей по постоянной составляющей.

В качестве входных разъемов IN1...IN4 используются блоки разъемов RCA («тюльпан»).

Сборка коммутатора

Перед сборкой платы ознакомьтесь с рекомендациями, которые даются в начале этой книги. Чтобы избежать выхода из строя радиоэлементов, старайтесь соблюдать общепринятые правила монтажа. Перечень всех входящих в набор элементов представлен в Табл. 2. Расположение элементов на плате показано на Рис. 3.

При подключении коммутатора к уже имеющемуся УНЧ межблочный монтаж желательно выполнять экранированным проводом для уменьшения влияния помех. Если такой возможности нет, для общей шины необходимо использовать монтажный провод большего сечения.

Правильно собранное устройство настройки не требует. Удачи вам!

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.

Целью создания данного проекта послужило желание создать простое и надежное устройство, которое выполняло бы функции коммутации входов и выходов высококачественного усилителя.

Данный проект полностью открытый. Выкладываю на Ваш суд исходный код, принципиальную схему и проект в .
Исходный код написан на языке высокого уровня "Си" в среде CVAVR буквально за вечер. Он хорошо прокомментирован и кто хотя бы немного знает данный язык, сможет с легкостью модифицировать проект под свои цели.

Селектор работает следующим образом:
При подаче питания выполняется задержка в две секунды для исключения щелчков АС при переходном процессе, при этом все входы и выходы отключены. После задержки происходит сравнение 4-го байта EEPROM с числом 0х22, если число совпадает - загружаем данные с энергонезависимой памяти. Если не совпадает - значит данные повреждены либо данные были стерты, грузим значения по умолчанию (АС1 откл. АС2 откл. CD вкл.). При выборе нужного входа происходит кратковременное мигание светодиода выбранного входа и далее он просто горит, данный эффект повышает визуальную функциональность аппарата в целом.
Те, кому по какой либо причине не нужно куча кнопок может использовать 1 кнопку (select), которая по кругу переключает входы.

Выходы АС тоже можно не использовать, для этого просто не надо впаивать диоды и кнопки отвечающие за управление выходами и не впаивать ключи коммутирующие реле АС1 и АС2. После того как мы выбрали нужный вход или выход, начинает считать программный таймер, который примерно через 10 секунд (если не было повторного нажатия на кнопки) записывает данные в EEPROM память. При снятии питания и повторной подаче входы и выходы после задержки сохраняют свое состояние, что тоже очень удобно.

Реле могут быть любыми, которые у Вас есть в наличии. Но лучше применить в АС на 16А фирмы SHRACK RT серии. Рекомендую на эту роль реле RTD14005 на 5V или RT314012 на 12V (при использование реле на 5V необходимо заменить транзисторы более мощными, например KSE340 или MJE340). А в качестве реле в сигнальных цепях, следует использовать специализированные сигнальные реле, которых сейчас в продаже имеется в большом количестве. Рекомендую миниатюрные сдвоенные реле 12V TQ2-12V или A5W-K на 5V

При прошивке чипа фьюзы трогать не надо!

Ниже вы можете скачать прошивку, исходник и проект в

Список радиоэлементов