Schalttopologien erklärt

Überblick

Eine Schalttopologie ist eine organisierte Darstellung der Kanäle und Relais in einem Schaltmodul. Die Topologie legt die voreingestellten Zustände für alle Relais in einem Modul fest und definiert die Kanalnamen. Einige Schaltmodule können mehrere Topologien oder Variationen eines jeden Topologietyps nutzen. Für bestimmte Anschlussblöcke oder Zubehörteile können bestimmte Topologien vorausgesetzt werden.

Die jeweils aktuelle Liste aller Schaltmodule von National Instruments finden Sie unter ni.com/switches/d.

Inhalt

Universelle Topologie

Eine universell einsetzbare Schaltkarte besteht aus einer Gruppe unabhängiger Relais. Relais können gewöhnlich (im Verhältnis zum Multiplexer oder der Matrix) hohe Stromlasten schalten. Das ist beispielsweise beim An- und Abschalten von Stromquellen (Stromversorgung für den Prüfling) und beim Schalten von Lasten der Fall.


Die Schalter Form A und B sind einpolige Ein-/Ausschalter (SPST, Single Pole Single Throw). Sie unterscheiden sich im Ruhezustand, in dem die Form-A-Schalter geöffnet und die Form-B-Schalter geschlossen sind.

Abb. 1: SPST- und SPDT-Relaisformen


Schaltvorgänge bei Form C und Form D basieren auf einem einpoligen Umschalter (SPDT, Single Pole Double Throw). Es gibt einen betriebsbedingten Unterschied, da der Form-C-Schalter die Verbindung öffnet, bevor er die andere Verbindung schließt (Wechselschalter mit Unterbrechung). Der Form-D-Schalter schließt beide Verbindungen, bevor er die ursprüngliche Verbindung öffnet (Wechselschalter ohne Unterbrechung).


Abb. 2: SPDT-Varianten Form C (Wechselschalter mit Unterbrechung) und Form D (Wechselschalter ohne Unterbrechung)

 

Eine universell einsetzbare Karte von National Instruments besteht gewöhnlich aus einer Reihe von Form-A- oder Form-C-Schaltern. Der Anwender entscheidet, welche Schaltkreise geschlossen werden und welcher Eingang zu einem bestimmten Zeitpunkt mit dem entsprechenden Ausgang verbunden wird. Diese Architektur kann eingesetzt werden, um Strom durch einen Schaltkreis zu schalten oder um eine Spannung vom Eingang zum Ausgang zu leiten.

Schaltmodule von National Instruments, die die universelle Topologie nutzen, werden im Dokument NI PXI Switch Product Selection Guide vorgestellt.


Multiplexer-Topologie


Abb. 3: Multiplexer umfassen entweder eine Ebene aus Relais der Form A oder mehrere Ebenen aus Relais der Form C.

 

Ein Multiplexer ist eine Topologie, bei der Anwender einen Eingang mit mehreren Ausgängen oder einen Ausgang mit mehreren Eingängen verbinden können. Diese Topologie wird häufig für das Abtasten verwendet, wenn eine Folge von Kanälen automatisch mit einer gemeinsamen Leitung verbunden werden muss. Sie kann auch zur Synchronisation von Quell- und Messverbindungen verwendet werden, indem man zwei Multiplexer nutzt. Ein Multiplexer wäre als 1:N, der andere als N:1 konfiguriert. Ein Beispiel dafür wäre ein Oszilloskop, das jeweils einzeln vier unterschiedliche Signale misst und ein Funktionsgenerator, der ein Signal an verschiedene Punkte am Prüfling leitet.

Schaltmodule von National Instruments, die die Multiplexer-Topologie nutzen, werden im Dokument NI PXI Switch Product Selection Guide vorgestellt.


Matrix-Topologie

Eine Matrix ist eine der flexibelsten Schaltkonfigurationen. Im Gegensatz zum Multiplexer kann eine Matrix mehrere Eingänge mit mehreren Ausgängen verbinden, die als Spalten und Zeilen angelegt sind. Jede Spalte kann mit einer beliebigen Anzahl von Zeilen verbunden werden und umgekehrt. An jedem Schnittpunkt von Zeile und Spalte ist ein Schalter. Ist der Schalter geschlossen, wird die Zeile mit der Spalte verbunden.

Die Größe einer Schaltmatrix wird oft als Konfiguration von M Zeilen und N Spalten (M x N) angegeben. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine 2x4-Matrix (1-Draht).



Abb. 4: Matrix-Zeilen sind über einzelne Relais der Form A mit Spalten verbunden.

 

Zwei gängige Matrixkonfigurationen werden in den zwei nachfolgenden Abbildungen gezeigt.


Abb. 5: Matrizen können mit Messgeräten auf den Zeilen und Prüflingstestpunkten auf den Spalten konfiguriert werden.


Die Platzierung von Messgeräten auf die Zeilen und von Prüflingen auf die Spalten ermöglicht eine einfache Erhöhung der Zahl der Prüflinge. In diesem Beispiel etwa könnten mehr Prüflinge mit einem anderen Modul hinzugefügt werden und nur die vier Zeilen wären zu verbinden. Würden mehr Zeilen für die Messgeräte erforderlich, müsste man alle Spalten verbinden.


Abb. 6: Matrizen können mit Messgeräten und Prüflingstestpunkten auf den Spalten konfiguriert werden, sodass die Zeilen für die Signalführung frei bleiben. 

 

Die Platzierung von Messgeräten und Prüflingen auf die Spalten einer Matrix ermöglicht eine zusätzliche Erweiterung von beiden, indem lediglich ein weiteres Modul hinzugefügt wird und die Zeilen verbunden werden. Die Beschränkung besteht darin, dass eine Erweiterung nur über das Hinzufügen von Spalten geschieht.

Schaltmodule von National Instruments, die die Matrix-Topologie nutzen, werden im Dokument NI PXI Switch Product Selection Guide vorgestellt.


Weitere Kriterien für Schaltungen

 

x-Drahtschaltung
NI-Schaltmodule sind in der Lage, 1-, 2- und/oder 4-Draht zu schalten. Im 1-Draht-Modus werden die positiven Leitungen mit den Relais und die negativen Leitungen mit einer gemeinsamen Verbindung verbunden. Alle Signale werden auf diese gemeinsame Masse referenziert. 

Abb. 7: Single-Ended-Multiplexer


Manchmal muss mehr als ein Signal zur selben Zeit geschaltet werden. Dann kann ein Schalter eingesetzt werden, der den 2- oder 4-Draht-Modus nutzt. Im 2-Draht-Modus können positive und negative Leitungen mit den Anschlüssen eines Kanals verbunden werden. Ein Vorteil des 2-Draht-Schaltens ist die ausgezeichnete Gleichtaktrauschunterdrückung. Anwendungen, für die der 2-Draht-Modus gewöhnlich eingesetzt wird, sind Differentialmessungen, Messungen niedriger Spannung und hohen Stroms sowie Widerstandsmessungen im Bereich zwischen 100 und 10 Mega-Ohm. Der 4-Draht-Modus wird im Allgemeinen für 4-Draht-Widerstandsmessungen genutzt. Zwei Leitungen werden für den Erregerstrom und zwei weitere für das Messen des Spannungsabfalls am Widerstand verwendet.



Abb. 8: 2-Draht- (differenziell) und 4-Draht-Multiplexer



Relaistreiber
Relaistreiber von National Instruments eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei denen die vom Relaismodul bereitgestellten Stromstärken bzw. Spannungen für die jeweils verwendeten Relais nicht ausreichen oder für Prüfsysteme, in denen eingebettete Relais zu steuern sind. Wie Schaltmodule von NI werden auch die Relaistreiber über die Treibersoftware NI-SWITCH gesteuert, sodass der Anwender in der Lage ist, externe Relais, die mit dem Relaistreiber verbunden sind, und Standard-PXI- und -SCXI-Schaltmodule auf dieselbe Art und Weise zu programmieren. Um mehr Sicherheit bei Rücklaufspannungen zu gewährleisten, verfügt das Relais über eine Freilaufdiode. Das Modul SCXI-1167 besitzt eine 5-V-Quelle und das Modul PXI-2567 sowohl eine 5-V- als auch eine 12-V-Quelle für den Antrieb von Relais. Die 5-V-Quelle des SCXI-1167 kann bis zu 0,75 A Strom liefern. Die des PXI-2567 kann bis zu 1,25 A und die 12-V-Quelle kann 0,50 A Strom liefern.


Abb. 9: Externer Relaistreiber PXI-2567


RF-Module
Die RF-Schaltmodule von National Instruments eignen sich insbesondere zur Erweiterung der Kanalanzahl oder zur Steigerung der Flexibilität von Systemen mit Bandbreiten von mehr als 10 MHz. RF (Radio Frequency) ist keine Topologie, doch können RF-Schaltmodule jeder Topologie entsprechen. Multiplexer mit hoher Kanaldichte, größenvariable Sparse-Matrizen und Universal-Relais zählen zu den verfügbaren Konfigurationen bei den PXI- und SCXI-Schaltmodulen. Jedes der Module wurde in Bezug auf minimale Eingangsdämpfung, Reflexion und Übersprechen sowie maximale Isolierung zwischen den Kanälen optimiert. Weitere Informationen zu diesen Parametern stehen im Dokument „Complex RF Switching Architectures – Part I and Part II“ bereit.

 

Schaltmodule von National Instruments, die für RF-Schaltungen geeignet sind, werden im Dokument NI PXI Switch Product Selection Guide vorgestellt. Mehr zu den Entwurfs- und Betriebskonzepten von RF-Schaltmodulen erfahren Sie in den Dokumenten Complex RF Switching Architecture – Part I und Complex RF Switching Architecture – Part II.



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