「作用:」 将多路被测信号分别传送到 转换器进行转换。
「1.多路开关工作原理」
⑴ 双极型晶体管开关
「其工作原理如下:」
设选择第 路模拟信号。则令通道控制信号 ,晶体管 截止,集电极为高电平,晶体管 导通,信号电压 被选中。
「同理:」 当令通道控制信号 时,则选中第 路模拟信号, 。
「注意:」 在控制信号 ~ 中不能同时有两个或两个以上为 。
「优点:」 开关速度块。
「缺点:」 ① 漏电流大,开路电阻小,导通电阻大。
② 电流控制器件,功耗大,集成度低,一个方向传送信号。
「2.场效应管开关」
「⑴结型场效应晶体管开关」
开关电路如图所示。工作原理如下:
设选择第 信号。则令通道控制信号 ,则开关控制管 导通,集电极为低电平,场效应管 导通, 。当 时, 截止, 也截止,第 路输入信号被切断。
「优点:」 开关切换速度快,导通电阻小,可两个方向传送信号。
「缺点:」 为分立元件,需专门的电平转换电路驱动,使用不方便。
「⑵绝缘栅场效应管开关」
「其工作原理与结型场效应管多路开关类似。」
「优点:」 开关切换速度快,导通电阻小,且随信号电压变化波动小;易于和驱动电路集成。
「缺点:」 衬底要有保护电压。
「3.集成电路开关」
「集成电路开关——将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯片上。」
「工作原理如下:」
设选择第 路输入信号,则计算机输出一个 位二进制码,把计数器置成 状态,经四 — 十六线译码器后,第 根线输出,场效应管 导通, ,选中第 路信号。
如果要连续选通第 路到第 路的信号,可以在计数器加入计数脉冲,每加入一次脉冲,计数器加 ,状态依次变为 。
「4.多路开关的主要指标」
「:导通电阻;」
「:导通电阻温度漂移;」
:「开关接通电流;」
: 「开关断开时的泄露电流;」
: 「开关断开时,开关对地电容;」
: 「开关断开时,输出端对地电容;」
「1.无译码器的多路开关」
「开关类型:」
「芯片中无译码器,四个通道开关都有各自的控制端。」
「优点:」 每一个开关可单独通断,也可同时通断,使用方式比较灵活。
「缺点:」 引脚较多,使得片内所集成的开关较少。当巡回检测点较多时,控制复杂。
「2.有译码器的多路开关」
「⑴ AD7501(AD7503)」
片上所有逻辑输入与 及 电路兼容。
「AD7503 除EN端的控制逻辑电平相反外,其它与AD7501相同。」
「⑵ AD7502」
「注意:」
芯片都是单向多到一的多路开关,即信号只允许从多个 ( 个) 输入端向一个输出端传送。
「⑶ CD4051」
为 通道单刀结构形式,它允许双向使用,即可用于多到一的切换输出, 也可用于一到多的输出切换。
「⑷ CD4052」
为信号源内阻, 为开关的输入电容, 是开关的导通电阻, 是开关断开时的电阻, 是跨接在开关输入与输出端上的电容, 是输出电容, 和 为负载的电阻和电容。
「1.漏电流」
「漏电流——通过断开的模拟开关的电流,用 表示。」
在 个模拟开关的并联组合中,当一个开关导通时,其它 个开关是断开的,未导通开关的漏电流将通过导通的开关流经信号源,如图所示。这样,将在输出端形成一个误差电压 。
「输出端的误差电压:」
式中 —单个开关的漏电流。
如果通道数增加或信号源内阻很大时,情况还要严重。
「改进的方法:」 采用分级结合电路。
将 个通道分成3组,再用 个第二级的开关接到输出端。这样将使流到输出端的漏电流由 降到 ,差不多减至 。
「2.动态响应」
「在多路开关的应用中,与其动态响应的参数有两个:」
多路开关动态响应的等效电路如下图,其中 表示连接到测试点的所有开关输出电容 与负载电容 之和:
「⑴ 设定时间 」
设 「,则化简上图,得时间常数 」 :
则对时间常数为 的 电路:
「例题:」 设 精度 ,求设定时间 。
「解:」
当 时:
当 时:
从以上计算可以看出: ,开关切换 。
「因此,要想法降低」 「和总输出电容」 「。」
「⑵ 等效电路的带宽」
「对于开关闭合时候的带宽,也可用上文的电路来研究,设 」 「,得」 :
「3.源负载效应误差」
「源负载效应误差」 —— 信号源电阻 和开关导通电阻 与多路开关所接器件的等效电阻 分压而引起的误差。
「计算源负载效应误差的等效电路如下图所示。」
源负载效应误差 =
「例题:」 设某通道 求源负载效应引起的误差。
「解:」
源负载效应误差 =
「由于负载效应是一种分压作用,使输出到上的信号减小,因此」
「4.串扰」
「串扰」 — 「断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰。」
分析串扰的等效电路如图所示。
「
「5.其他特性问题」
也随导通的不同而不同;
(2) 是否有死区:某些 器件在输入范围的中间有个传送中断点,一般发生在栅极电压不高的情况;
(3) 开关动作是否先断后合:应保证先断后合而不能先合后断,防止两个发生两个通道短路;
(4) 开关速度与功耗关系;
(5) 噪声等。
「1.单端接法」
「单端接法」 —— 把所有输入信号源的一端接至同一信号地,然后再将信号地与 转换器的模拟地相接,输入信号另一端各自接至多路开关的相应输入端。
「如下图所示。」
对于共模电压 ,
图 「(a)」 的接法可保证系统的共模抑制能力,仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位,且各信号源均置于同样的噪声环境。信号地与模拟地很接近,但实际很难做到。
图 「(b)」 的信号地与模拟地相离较远,共模抑制能力基本未发挥。
「优点:」 能使用系统的全部通道。
「缺点:」 抗共模干扰能力差。
「2.」 「双端接法」
「双端接法」 —— 把所有输入信号源的两端各自分别接至多路开关的输入端。
「双端接法如图所示。」
「优点:」 抗共模干扰能力强。
「缺点:」 只能使用系统的一半通道。
「注意:」 当信号源的信噪比较小时,必须使用此接法。
「1.通道的扩展方法」
对于实际数据采集系统中的多个采样点,单个的模拟多路开关的通道数无法满足要求,需要将多个多路开关加以组合,构成较多个通道,但因受诸多因素的限制,通道也不能无限制的扩展。
以 通道的 为例,如果通道数超过 通道,在使用的时候就要进行扩展,下图为采用 片 扩展出 通道的例子:
「2.组成增益可程控的电压运算放大器」
要实现运放增益的程控,只需程控 或 ,同时也必须相应调节R3的大小,可选用双刀多路开关来实现。