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3. 模拟信号的处理 3.1 模拟多路开关

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2022-10-08 / 0 评论 / 618 阅读 / 0 点赞

3. 模拟信号的处理

3.1 模拟多路开关

3.1.1 概述

作用: 将多路被测信号分别传送到 转换器进行转换。

3.1.2 多路开关的工作原理及主要技术指标

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;

3.1.3 多路开关集成芯片

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 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

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

3.1.4 多路开关的电路特性

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, 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。

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。

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

,则化简上图,得时间常数 :

则对时间常数为 电路:

例题: 精度 ,求设定时间

解:

时:

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。

3.1.5 多路开关的配置

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

(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。

(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。

3.1.6 多路开关的应用

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。

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 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 ,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。

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