數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)第三章2 模擬多路開關(guān)

1、1SAUACC作用：作用： 將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。機(jī)電式：機(jī)電式： 電子式：電子式： 類型類型用于大電流、低速切換用于大電流、低速切換用于小電流、高速切換用于小電流、高速切換2SAUACC3SAUACC4SAUACC+15V+15VT1T1T8T8.通道選擇1通道選擇8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模擬信號(hào)1模擬信號(hào)8圖圖3 3. .2 2 雙雙極極型型晶晶體體管管開開關(guān)關(guān)電電路路5SAUACC.T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道選擇1通道選擇8UoR1828R11R21R圖圖3 3. .3 3 結(jié)

2、結(jié)型型場(chǎng)場(chǎng)效效應(yīng)應(yīng)管管多多路路開開關(guān)關(guān)6SAUACC+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8.圖圖3 3. .4 4 絕絕緣緣柵柵場(chǎng)場(chǎng)效效應(yīng)應(yīng)管管多多路路開開關(guān)關(guān)7SAUACC1231516.四-十六線譯碼器四位計(jì)數(shù)器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U計(jì)數(shù)23222120.圖圖3 3. .5 5 集集成成多多路路開開關(guān)關(guān)8SAUACC2. 多路開關(guān)的主要指標(biāo)多路開關(guān)的主要指標(biāo) 9SAUACC10SAUACC11SAUACC12SAUACC13SAUACC1. 無(wú)譯碼器的多路開關(guān)無(wú)譯碼器的多路開關(guān) 開關(guān)類型：開關(guān)

3、類型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等等。 14SAUACC12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC圖圖3 3. .6 6 A AD D7 75 51 10 0芯芯片片 芯片中無(wú)譯碼芯片中無(wú)譯碼器，四個(gè)通道開關(guān)器，四個(gè)通道開關(guān)都有各自的控制端。都有各自的控制端。15SAUACC16SAUACC優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：每一個(gè)開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同每一個(gè)開關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同時(shí)通斷，使用方式比較靈活。時(shí)通斷，使用方式比較靈活。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開關(guān)較少。

4、當(dāng)巡回檢測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，控制復(fù)雜。當(dāng)巡回檢測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，控制復(fù)雜。 2. 有譯碼器的多路開關(guān)有譯碼器的多路開關(guān) AD7501（AD7503） 17SAUACC.電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.圖圖3 3. .7 7 A AD D7 75 50 01 1（A AD D7 75 50 03 3）芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能 片上所有邏輯輸入與片上所有邏輯輸入與TTLDTL及及CMOS電路兼容電路兼容。18SAUAC

5、C 表表3.1 AD7501真值表真值表 A2A1A0EN 導(dǎo)通導(dǎo)通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 無(wú)無(wú)19SAUACC AD7503 除除EN 端的控制邏輯電平相端的控制邏輯電平相反外反外, , 其它與其它與AD7501相同相同。 AD7502 電平轉(zhuǎn)換ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1 4)(5 8).譯碼驅(qū)動(dòng)OUTS8S1US

6、S(-15V)地SS45OUT圖圖3 3. .8 8 A AD D7 75 50 02 2芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能20SAUACC表表3.2 AD7502真值表真值表 A1A0EN 接通通道接通通道 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1和和5 2和和6 3和和7 4和和8 無(wú)無(wú)21SAUACC注意：注意： AD7501，AD7502，AD7503 芯片都芯片都是單向多到一的多路開關(guān)，即信號(hào)只允許是單向多到一的多路開關(guān)，即信號(hào)只允許從多個(gè)從多個(gè) (8個(gè)個(gè)) 輸入端向一個(gè)輸出端傳送。輸入端向一個(gè)輸出端傳送。22SAUACC23SAUACC電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)S1UDD(-

7、15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT圖圖3 3. .9 9 C CD D4 45 50 01 1芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能 CD4051為為8 通道單刀結(jié)構(gòu)形式，它允許雙通道單刀結(jié)構(gòu)形式，它允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出，向使用，即可用于多到一的切換輸出， 也可用也可用于一到多的輸出切換。于一到多的輸出切換。 24SAUA

8、CC 表表3.3 CD4051真值表真值表 INH C B A 接通通道接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 無(wú)無(wú)25SAUACC CD4052 UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415電平轉(zhuǎn)換譯碼驅(qū)動(dòng)INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)12345678910111213141516GNDUDDCD4502ABINHUEE(IN/OUT)Y(OUT/IN)

9、YY(IN/OUT)(IN/OUT)X(OUT/IN)XX(IN/OUT)圖圖3 3. .1 10 0 C CD D4 45 50 02 2芯芯片片結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)及及引引腳腳功功能能26SAUACC表表3.4 CD4052真值表真值表 輸輸 入入 接通通道接通通道 A B X Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 均不通均不通INH27SAUACC28SAUACC29SAUACC30SAUACC 為了便于討論，模擬多路開關(guān)中的一個(gè)開為了便于討論，模擬多路開關(guān)中的一個(gè)開關(guān)用圖關(guān)用圖3.11所示的等效電路來(lái)表示。所示的等效電路來(lái)表示。31SAUACCUS

10、RSCICIORONROFFCOCLRL圖3.11 模擬多路開關(guān)中一個(gè)開關(guān)的等效電路圖3.11 模擬多路開關(guān)中一個(gè)開關(guān)的等效電路 RS為信號(hào)源內(nèi)阻為信號(hào)源內(nèi)阻，CI為開關(guān)的輸入電容為開關(guān)的輸入電容，RON是開關(guān)的導(dǎo)通電阻，是開關(guān)的導(dǎo)通電阻，ROFF是開關(guān)斷開時(shí)的電是開關(guān)斷開時(shí)的電阻阻，CIO是跨接在開關(guān)輸入與輸出端上的電容是跨接在開關(guān)輸入與輸出端上的電容，CO是輸出電容是輸出電容，RL和和CL為負(fù)載的電阻和電容。為負(fù)載的電阻和電容。32SAUACC1. 漏電流漏電流漏電流漏電流 通過(guò)斷開的模擬開關(guān)的電流，通過(guò)斷開的模擬開關(guān)的電流，用用IS表示。表示。 33SAUACC 在在n個(gè)模擬開關(guān)的個(gè)模擬

11、開關(guān)的并聯(lián)組合中，當(dāng)一個(gè)開并聯(lián)組合中，當(dāng)一個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其它關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其它n1個(gè)個(gè)開關(guān)是斷開的，未導(dǎo)通開關(guān)是斷開的，未導(dǎo)通開關(guān)的漏電流將通過(guò)導(dǎo)開關(guān)的漏電流將通過(guò)導(dǎo)通的開關(guān)流經(jīng)信號(hào)源，通的開關(guān)流經(jīng)信號(hào)源，如圖如圖3.12所示。所示。I導(dǎo)導(dǎo)通通開開關(guān)關(guān)測(cè)測(cè)量量點(diǎn)點(diǎn)UOERLRONRSIIISSSS斷斷開開開開關(guān)關(guān)圖圖3 3. .1 12 2 漏漏電電流流電電路路 這樣，將在輸出端這樣，將在輸出端形成一個(gè)誤差電壓形成一個(gè)誤差電壓UOE。34SAUACC輸出端的誤差電壓：輸出端的誤差電壓： UnIRROESSON()()1式中式中 IS 單個(gè)開關(guān)的漏電流。單個(gè)開關(guān)的漏電流。舉例：舉例： 如用兩個(gè)如用兩

12、個(gè)AD7503構(gòu)成構(gòu)成16路輸入通道。路輸入通道。AD7503每個(gè)通道斷開時(shí)的漏電流每個(gè)通道斷開時(shí)的漏電流IS=2nA（25），），其導(dǎo)通內(nèi)阻其導(dǎo)通內(nèi)阻RON=300，設(shè)設(shè)RS=1000，則由式則由式(3-1) 可以算出漏電流引起可以算出漏電流引起的輸出誤差電壓為：的輸出誤差電壓為：35SAUACC)V(1039)103 . 1 ()102(15639OEU 設(shè)該系統(tǒng)的滿量程輸入電壓為設(shè)該系統(tǒng)的滿量程輸入電壓為100mV，采用采用12 位位AD轉(zhuǎn)換器，每個(gè)量化級(jí)是轉(zhuǎn)換器，每個(gè)量化級(jí)是24.4 V，則誤差電壓大于系統(tǒng)的量化單位。則誤差電壓大于系統(tǒng)的量化單位。 如果通道數(shù)增加或信號(hào)源內(nèi)阻很大時(shí)，如

13、果通道數(shù)增加或信號(hào)源內(nèi)阻很大時(shí)，情況還要嚴(yán)重。情況還要嚴(yán)重。 改進(jìn)的方法：改進(jìn)的方法：采用分級(jí)組合電路。采用分級(jí)組合電路。36SAUACC 將將3n個(gè)通道分個(gè)通道分成成3 組組，再用再用3個(gè)第個(gè)第二級(jí)的開關(guān)接到輸二級(jí)的開關(guān)接到輸出端。這樣將使流出端。這樣將使流到輸出端的漏電流到輸出端的漏電流由由(3n1) 降到降到(n1)，差不多減差不多減至至13.ABC輸輸出出12n12n12n圖圖3 3. .1 13 3 多多路路開開關(guān)關(guān)的的分分級(jí)級(jí)組組合合37SAUACC2. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)響應(yīng)參數(shù)響應(yīng)參數(shù)開關(guān)切換時(shí)間（設(shè)定時(shí)間）開關(guān)切換時(shí)間（設(shè)定時(shí)間）開關(guān)閉合后系統(tǒng)帶寬開關(guān)閉合后系統(tǒng)帶寬USRSRO

14、NCICTRL圖圖3 3. .1 14 4 多多路路開開關(guān)關(guān)的的動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)響響應(yīng)應(yīng)等等效效電電路路38SAUACC39SAUACC 設(shè)定時(shí)間設(shè)定時(shí)間 tS 設(shè)設(shè) CI RS+RON根據(jù)負(fù)載效應(yīng)誤差，在下級(jí)根據(jù)負(fù)載效應(yīng)誤差，在下級(jí) 提高增益來(lái)補(bǔ)償提高增益來(lái)補(bǔ)償【例【例3.2】 設(shè)某通道設(shè)某通道RS=300 ，RON=200 ， RL=5M ，求誤差求誤差。46SAUACC解：解： 負(fù)載效應(yīng)誤差負(fù)載效應(yīng)誤差= %011. 0%100105250300250300%1006LONSONSRRRRR4.串?dāng)_串?dāng)_ 串?dāng)_串?dāng)_ 斷開通道的信號(hào)電壓耦合到接斷開通道的信號(hào)電壓耦合到接收通道引起的干擾。收通道引起的

15、干擾。 47SAUACC分析串?dāng)_的等效電路如圖分析串?dāng)_的等效電路如圖3.16所示所示。US1US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10C10CCOT+LUOEUOECCOT+LRON(a)(c)(b)若RON2 RS1或RS2RS1C10COT+CLCin2+UOERS2Cin1US1圖圖3 3. .1 16 6 計(jì)計(jì)算算串串?dāng)_擾的的等等效效電電路路48SAUACC可知可知減小減小RS2與與RON，有利于減小串?dāng)_。，有利于減小串?dāng)_。加大加大CL 也能減小串?dāng)_，但不利于也能減小串?dāng)_，但不利于 動(dòng)態(tài)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)。49SAUACC50SAUACC1.單端接法單端接法 單端接法單端接法 把所有

16、輸入信號(hào)源的一端把所有輸入信號(hào)源的一端接至同一信號(hào)地，另一端接至同一信號(hào)地，另一端各自接至多路開關(guān)的相應(yīng)各自接至多路開關(guān)的相應(yīng)輸入端。輸入端。如圖如圖3.17所示所示。51SAUACC 圖圖3.17(a)的信號(hào)地與模擬地很接近，的信號(hào)地與模擬地很接近，但實(shí)際很難做到。但實(shí)際很難做到。 -+UO. -+UO.模擬地模擬地模擬地模擬地信號(hào)地信號(hào)地US1RS1US2RS2USnRSnUS1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfRf(a)(b)圖圖3.17 單端接法單端接法UcmUcm2Ucmn52SAUACC圖圖3.17(b)的信號(hào)地與模擬地相離較遠(yuǎn)的信號(hào)地與模擬地相離較遠(yuǎn)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：能使用系統(tǒng)的全部通道。能使用系統(tǒng)的全部通道?？构材８蓴_能力差。抗共模干擾能力差。 2. 雙端接法雙端接法雙端接法雙端接法 把所有輸入信號(hào)源的兩把所有輸入信號(hào)源的兩端各自分別接至多路開端各自分別接至多路開關(guān)的輸入端。關(guān)的輸入端。 53SAUACC54SAUACC雙端接法