数据采集技术3 模拟多路开关

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1、1CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 多路开关的工作原理及主要技多路开关的工作原理及主要技术指标术指标 3.3 3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关3.4 3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性3.5 3.5 多路开关的配置多路开关的配置 3.6 3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用2CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.1 3.1 概述概述第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关作用： 将多路被测信号分别传送到A/D转 换器进行转换。机电式： 电子式： 类型用于大电流、低速切换用于小电流

2、、高速切换3CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.1 3.1 概概 述述双极性晶体管开关 场效应晶体管开关 电 子 式 类 型结型绝缘栅型集成电路开关4CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关1. 多路开关工作原理双极型晶体管开关 其工作原理如下： 设选择第1路模拟信号。 则令通道控制信号 UC1= 0，晶体管T1截止， 集电极为高电平，晶体管 T1导通，输入信号电压 Ui1被选中。 5CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开

3、关的工作原理及主要技术指标同理： 当令通道控制信号UC2= 0 时，则选 中第2路模拟信号， UO = Ui2 。 注意： 在控制信号UC1 UC8中不能同时有 两个或两个以上为0。 优点：缺点：电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。开关速度快。6CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标2. 场效应管开关 结型场效应晶体管开关开关电路如图3.3所示。工作原理如下：设选择第1路信号。 则令通道控制信号UC1=1， 则开关控制管T1导通，集电 极为低电平，场效应管T1导 通，U

4、O=Ui1 。 当UC1 =0时， T1截止， T1也截止，第1路输入信号被 切断。7CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标优点：缺点：开关切换速度快，导通电阻小，可 两个方向传送信号。 为分立元件，需专门的电平转换电 路驱动，使用不方便。 绝缘栅场效应管开关8CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标其工作原理与结 型场效应管多路开关 类似。9CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原

5、理及主要技术指标优点：缺点：3. 集成电路开关集成电路开关 将多路开关、计数器、 译码器及控制电路制造 在一个芯片上。 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。衬底要有保护电压。 10CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标工作原理如下： 设选择第1路输入信号， 则计算机输出一个4位二进 制码，把计数器置成0001 状态，经四 十六线 译码器后，第1根线输出高 电平，场效应管T1导通， UO= Ui1 ，选中第1路信号。如果要连续选通第1路到 第3路的信号，可以在计数器 加入计数脉冲

6、，每加入一次 脉冲，计数器加1，状态依次 变为 0001，0010，0011。11CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.23.2 多路开关的工作原理及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标2. 多路开关的主要指标 RON ：导通电阻；RONVS：导通电阻温度漂移；IC ：开关接通电流； IS ：开关断开时的泄漏电流；CS：开关断开时，开关对地电容； COUT：开关断开时，输出端对地电容； 12CUIT数据采集与处理数据采集与处理*第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关3.3 3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 1. 无译码器的多路开关 开关类型：TL182C，AD7510，A

7、D7511，AD7512等 。 13CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。14CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片优点：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 AD7501（AD7503） 15CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片片上所有逻辑输入与TTLDTL及CMOS 电路兼容。16CUI

8、T数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片表3.1 AD7501真值表 导通00001111001100110101010111111111012345678无17CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片AD7503 除EN 端的控制逻辑电平相 反外, 其它与AD7501相同。 AD7502 18CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片表3.2 AD7502真值表 接通通道 00110101111101和52和63和74和8无19CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.

9、33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片注意： AD7501，AD7502，AD7503 芯片都 是单向多到一的多路开关，即信号只允许 从多个 (8个) 输入端向一个输出端传送。 CD450120CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片CD4501为8 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。 21CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片表3.3 CD4501真值表 CBA接通通道00000000100001111 00110011 01010101S0

10、S1S2S3S4S5S6S7 无22CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 CD4502 23CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片表3.4 CD4502真值表输 入接通通道A BX Y0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 12 23 3均不通24CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.4 3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 为了便于讨论，模拟多路开关中的一个开 关用图3.11所示的等效电路来表示。第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关25CUIT数据采集与处理数据采集与处

11、理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性RS为信号源内阻，CI为开关的输入电容， RON是开关的导通电阻，ROFF是开关断开时的电阻，CIO是跨接在开关输入与输出端上的电容，CO是输出电容，RL和CL为负载的电阻和电容。26CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性1. 漏电流漏电流 通过断开的模拟开关的电流 ， 用IS表示。 27CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性在n个模拟开关的 并联组合中，当一个开 关导通时，其它n1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

12、号源， 如图3.12所示。这样，将在输出端 形成一个误差电压UOE。28CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性输出端的误差电压： 式中 IS 单个开关的漏电流。举例：如用两个AD7503构成16路输入通道。由表 3.5可知，AD7503每个通道断开时的漏电流 IS=2nA（25），其导通内阻RON=300，设 RS=1000，则由式(3-1) 可以算出漏电流引起 的输出误差电压为：29CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性设该系统的满量程输入电压为100mV， 采用12 位AD转换器，每个量化级

13、是 24.4V，则误差电压大于系统的量化单位。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。30CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性将3n个通道分 成3 组，再用3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(3n1) 降到 (n1)，差不多减至31CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性2. 动态响应响应参数开关切换时间（设定时间）开关闭合后系统带宽32CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性

14、设定时间 tS 设 CI RS+RON根据负载效应误差，在下级提高增益来补偿【例3.2】 设某通道RS=300 ，RON=200 ，RL=5M ，求误差。38CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性解： 负载效应误差= 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。 39CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性分析串扰的等效电路如图3.16所示。40CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性可知减小RS2与RON，有利于减小串扰。加大CL

15、 也能减小串扰，但不利于动态响应。41CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.5 3.5 多路开关的配置多路开关的配置 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，另一端 各自接至多路开关的相应 输入端。如图3.17所示。第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关42CUIT数据采集与处理数据采集与处理*3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置图3.17(a)的信号地与模拟地很接近， 但实际很难做到。-+UO.-+UO.模拟地模拟地信号地US1RS1US2RS2USnRSnUS1RS1US2RS2USnRSnUcm1 RfRf(a)(b)图3.17 单端接法UcmUcm2Ucmn43CUIT数据采集与处理数据采集与处理*图3.17(b)的信号地与模拟地相离较远。优点：缺点：能使用系统的全部通道。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。 3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置44CUIT数据采集与处理数据采集与处理*双端接法如图3.18所示。3.53.5 多路开关的配置多路开关的配