《模拟多路开关》PPT课件

《《模拟多路开关》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《模拟多路开关》PPT课件（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3 3.3 模拟多路开关模拟多路开关3. 3.2 多路开关的工作原理及多路开关的工作原理及 主要技术指标主要技术指标3.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用3.3.1 概述概述第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：在多路在多路被测信号共用一路被测信号共用一路A/DA/D转换器的数据采转换器的数据采集系统中，用来将集系统中，用来将多路被测信号分别多路被测信号分别传送到传送到A/DA/D

2、转换器进转换器进行转换，以便计算行转换，以便计算机能对多路被测信机能对多路被测信号进行处理。号进行处理。四选一多路开关四选一多路开关D0D1D2D3A1A2Y多路开关：多路开关：第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 机电式机电式：用于大电流、高电压，低用于大电流、高电压，低 速切换场所；速切换场所；u 电子式电子式：用于小电流、低电压，高：用于小电流、低电压，高 速切换场所。速切换场所。类型：类型：机电式：机电式：电子式：电子式：电子多路开关由于是一种集成化无触点开关，不仅电子多路开关由于是一种集成化无触点开关，不仅寿命长、体积小，而且对系统的干扰小。寿命长、体积小，而且对系统的干扰小。3.3

3、.1 概述概述多路开关：多路开关：第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为：电子多路开关根据结构可分为：BECNPNBECPNPu 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)双极型晶体管双极型晶体管3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u 集成电路开关集成电路开关 第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为：电子多路开关根据结构可分为：u 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u

4、集成电路开关集成电路开关 第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为：电子多路开关根据结构可分为：u 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u 集成电路开关集成电路开关 GSDGSDGSDGSDN沟道耗尽型沟道耗尽型P沟道耗尽型沟道耗尽型N沟道增强型沟道增强型P沟道增强型沟道增强型绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构电子多路开关根据结构可分为：可分为：u 场效应晶体管开关场效应晶体

5、管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u 集成电路开关集成电路开关 PMOS和NMOS结合可以构成CMOS(互补对称MOS：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体) CMOS型场效应管开关型场效应管开关的优点：的优点：n 导通电阻导通电阻R RONON随信号电随信号电 压变化波动小；压变化波动小；信号信号电压电压RONNMOSPMOSCMOS第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构电子多路开关根据结构可分为：可分

6、为：u 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u 集成电路开关集成电路开关 PMOS和NMOS结合可以构成CMOS(互补对称MOS：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor 互补型金属氧化物半导体) CMOS型场效应管开关型场效应管开关的优点：的优点：n 开关接通时间短，小开关接通时间短，小 于于100ns100ns；n 功耗低；功耗低；n 工作电压范围宽工作电压范围宽 n 抗干扰能力强抗干扰能力强 n 温度稳定性能好温度稳定性能好 n 易于和驱动电路集成易于和驱

7、动电路集成第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 双极性晶体管开关双极性晶体管开关 电子多路开关根据结构可分为：电子多路开关根据结构可分为：u 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 结型结型 绝缘栅型绝缘栅型(MOS)3.3.1 概述概述多路开关：多路开关：u 集成电路开关集成电路开关 集成电路开关集成电路开关是将场效是将场效应管、地址计数器、译应管、地址计数器、译码器及控制电路等集成码器及控制电路等集成制造在一块芯片上而构制造在一块芯片上而构成的器件。成的器件。特点：特点：除了具有场效除了具有场效应管的特性之外，还应管的特性之外，还具有体积小、使用方具有体积小、使用方便等优点。便等优点。第三章 数

8、据采集技术模拟多路转换器3.3.2 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1. 多路开关工作原理多路开关工作原理u 双极型晶体管开关双极型晶体管开关 其工作原理如下：其工作原理如下： 设选择第设选择第1路模拟信号。则路模拟信号。则令通道控制信号令通道控制信号UC1= 0，晶晶体管体管T1截止，集电极为高截止，集电极为高电平，晶体管电平，晶体管T1导通，输导通，输入信号电压入信号电压Ui1被选中被选中。 +15V+15VT1T1T8T8.通道选择通道选择1 1通道选择通道选择8 8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号模拟信号1 1模拟信号模拟信号

9、8 8双极型晶体管开关电路双极型晶体管开关电路VDD同理，当令通道控制信号同理，当令通道控制信号UC2= 0 时，则选中第时，则选中第2路模路模拟信号，拟信号， UO = Ui2。 第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.2 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1. 多路开关工作原理多路开关工作原理u 双极型晶体管开关双极型晶体管开关 +15V+15VT1T1T8T8.通道选择通道选择1 1通道选择通道选择8 8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号模拟信号1 1模拟信号模拟信号8 8双极型晶体管开关电路双极型晶体管开关电路VDD注意：注意：

10、 在控制信号在控制信号UC1 UC8中不能同时有两个或中不能同时有两个或两个以上为两个以上为0。 优点：优点：开关速度快。开关速度快。缺点：缺点： 电流控制器件，功电流控制器件，功耗大，集成度低，一耗大，集成度低，一个方向传送信号。个方向传送信号。 漏电流大，开路电漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。阻小，导通电阻大。第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 场效应管开关场效应管开关 结型场效应管开关结型场效应管开关工作原理如下：工作原理如下：设选择第设选择第1路信号。则令通道路信号。则令通道控制信号控制信号UC1=1，开关控制管，开关控制管T1导通，集电极为低电平，导通，集电极为低电平，场效应管场

11、效应管T1导通，导通，UO=Ui1。 当当UC1 =0时，时，T1截止，截止，T1也截也截止，第止，第1路输入信号被切断。路输入信号被切断。3.3.2 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1. 多路开关工作原理多路开关工作原理其他各路操作与第一路相同。其他各路操作与第一路相同。 .T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择通道选择1 1通道选择通道选择8 8UoR1828R11R21R结型场效应管多路开关结型场效应管多路开关VDDVDD第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 场效应管开关场效应管开关 结型场效应管开关结型场效应管开关3.3.2 多路开关的工作原理

12、及主要技术指标多路开关的工作原理及主要技术指标1. 多路开关工作原理多路开关工作原理.T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择通道选择1 1通道选择通道选择8 8UoR1828R11R21R结型场效应管多路开关结型场效应管多路开关VDDVDD优点：优点： 开关切换速度快，导开关切换速度快，导通电阻小，可两个方通电阻小，可两个方向传送信号。向传送信号。 缺点：缺点： 为分立元件，需专门为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，的电平转换电路驱动，使用不方便。使用不方便。第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 场效应管开关场效应管开关 绝缘栅场效应管开关绝缘栅场效应管开关3.3.2 多路开关的工

13、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1. 多路开关工作原理多路开关工作原理其工作原理与结型场效其工作原理与结型场效应管多路开关类似。应管多路开关类似。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8.绝缘栅场效应管多路开关绝缘栅场效应管多路开关优点：优点： 开关切换速度快，导通电开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路波动小；易于和驱动电路集成。集成。缺点：缺点： 衬底要有保护电压，衬底要有保护电压，P沟沟道加正电压，道加正电压，N沟道加负沟道加负电压。电压。 第三章 数据采集技术模

14、拟多路转换器u 集成电路开关集成电路开关3.3.2 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1. 多路开关工作原理多路开关工作原理1231516.四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120.集成多路开关集成多路开关工作原理如下：工作原理如下：设选择第设选择第1路信号。则计算机输路信号。则计算机输出一个出一个4位二进制码，把计数器位二进制码，把计数器置成置成0001状态，经四状态，经四- -十六线译十六线译码器后，第码器后，第1根线输出高电平，根线输出高电平，场效应管场效应管T1导通，导通，UO= Ui1，

15、选，选中第中第1路信号。路信号。 如果要连续选通第如果要连续选通第1路到第路到第3路的路的信号，可以在计数器加入计数脉信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加冲，每加入一次脉冲，计数器加1，状态依次变为，状态依次变为 0001，0010，0011。 第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 多路开关的主要指标多路开关的主要指标 u RON：导通电阻；：导通电阻；3.3.2 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多路开关的导通电阻多路开关的导通电阻RON（一般为数（一般为数1010至至1k1k左左右）比机械开关的接触电阻（一般为右）比机械开关的接触电阻（一

16、般为mm量级）大量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控制增得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控制增益放大的增益影响较明显。益放大的增益影响较明显。而且而且RON随电源电压高低、传输信号的幅度等的变随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。化而变化，因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小实践中一般是设法减小RON来降低其影响。来降低其影响。以以CD4051为例，测试发现：为例，测试发现：CD4051的的RON随电源电压和输入模拟电随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当压的变化而变化。当VDD=5V、VEE=0V时，时，RON=280，且随

17、，且随Vi的的变化突变；当变化突变；当VDD10V、VEE=0V时，时，RON=100，且随，且随Vi的变化缓的变化缓变。可见，适当提高变。可见，适当提高CD4051的的VDD有利于减小有利于减小RON的影响。的影响。 第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 多路开关的主要指标多路开关的主要指标 u RON：导通电阻；：导通电阻；u RONVS：导通电阻温度漂移；：导通电阻温度漂移；u IC：开关接通电流；：开关接通电流；u IS：开关断开时的泄漏电流；：开关断开时的泄漏电流；u CS：开关断开时，开关对地电容；：开关断开时，开关对地电容；u COUT：开关断开时，输出端对地电容；：开关断开时

18、，输出端对地电容；u tON：选通信号：选通信号ENEN达到达到50%50%这一点时到开关接通时的延这一点时到开关接通时的延 迟时间；迟时间；u tOFF：选通信号：选通信号ENEN达到达到50%50%这一点时到开关断开时的这一点时到开关断开时的 延迟时间；延迟时间；u tOPEN：开关切换时间，即当两个通道均为断开时，：开关切换时间，即当两个通道均为断开时， 开关从一个通道的接通状态转到另一个通道开关从一个通道的接通状态转到另一个通道 的接通状态并达到稳定所用的时间。的接通状态并达到稳定所用的时间。3.3.2 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三章 数据采集技

19、术模拟多路转换器1. 无译码器的多路开关无译码器的多路开关 芯片中无译码器，四个通道芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。开关都有各自的控制端。AD7510芯片芯片: :3.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC优点：优点：每一个开关可单独通断，每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式也可同时通断，使用方式比较灵活。比较灵活。 缺点：缺点：引脚较多，使得片内所引脚较多，使得片内所集成的开关较少。集成的开关较少。当巡回检测点较多时，当巡回检测点较多时，控制复杂。控制

20、复杂。 第三章 数据采集技术模拟多路转换器TL182C，AD7510，AD7511，AD7512，CD4066，TS12A44513，TS3A4741，TS3A24159， 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无译码器的多路开关 RON 0.3TS12A44513芯片芯片CD4066芯片芯片第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u AD7501（AD7503） 3.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 AD7501AD7501（AD7503AD7503）芯）芯片结构及引脚功能片结构及引脚功能.电平转换译码驱动OUTE

21、NA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501.片上所有逻辑输入与片上所有逻辑输入与TTLDTL及及CMOS电路兼容。电路兼容。第三章 数据采集技术模拟多路转换器AD7501真值表真值表 2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u AD7501（AD7503） 3.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 A2A1A0EN导通导通00001111001100110101010111111111012345678无无AD7503 除除EN 端的控制逻

22、辑电平相反端的控制逻辑电平相反外外, 其它与其它与AD7501相同。相同。第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u AD75023.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 电平转换ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(14)(58).译码驱动OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUTAD7502AD7502芯片结构及引脚功能芯片结构及引脚功能第三章 数据采集技术模拟多路转换器AD7502真值表真值表 2. 有译码器的多路开

23、关有译码器的多路开关 u AD75023.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 A1A0EN导通导通00110101111101和和52和和63和和74和和8无无AD7501， AD7502， AD7503 芯片都是单向多芯片都是单向多到一的多路开关，即信号只允许从多个到一的多路开关，即信号只允许从多个 (8个个) 输输入端向一个输出端传送。入端向一个输出端传送。第三章 数据采集技术模拟多路转换器CD4501为为8通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，于多到一的切换输出， 也可用于一到多的输出切换。也可用于一到多的输出切换。电平

24、转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUTCD4501CD4501芯片结构及引脚功能芯片结构及引脚功能2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u CD45013.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 第三章 数据采集技术模拟多路转换器CD4501真值表真值表 CBAINH导通导通00001111001100110

25、1010101000000001S1S2S3S4S5S6S7S8无无2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u CD45013.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u CD45023.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 UDD(-15V)(+15V)地UEE8111612345712131415电平转换译码驱动INH6B9A10Y(OUT/IN)X(OUT/IN)X(IN/OUT)Y(IN/OUT)12345678910111213141516GNDUDDCD4502ABINHUEE(IN/OUT)Y

26、(OUT/IN)YY(IN/OUT)(IN/OUT)X(OUT/IN)XX(IN/OUT)CD4502CD4502芯片结构及引脚功能芯片结构及引脚功能第三章 数据采集技术模拟多路转换器CD4502真值表真值表2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u CD45023.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 输入输入接通通道接通通道INHABXY00001001101010123无无0123无无CD4502和和CD4501一样，允许双向使用。一样，允许双向使用。第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u SN74LV40513.3.3 多路开关集成芯片

27、多路开关集成芯片 SN74LV4051SN74LV4051芯片结构及引脚功能芯片结构及引脚功能第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 u SN74LV40513.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 SN74LV4051SN74LV4051真值表真值表第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 有译码器的多路开关有译码器的多路开关 3.3.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 u 部分多路开关性能参数部分多路开关性能参数RON()RONVSIS(nA)IC(nA)tON(us)tOFF(us)AD7501AD7503AD7502AD7506CD450117

28、03003004002700.5%/0.5%/0.5%/0.5%/0.220.220.220.0515150.650.030.080.80.80.80.80.80.80.80.8特性特性型号型号CS(pF)COUT(pF)逻辑电平逻辑电平(V)电源电源输入方式输入方式输入电流、输入电流、电压电压AD7501AD7503AD7502AD7506CD45015555303015400.830.830.830.831.53.515V,800uA15V,800uA15V,800uA15V,1mA+5V+15V8路路8路路双双4路路16路路8路双向路双向35mA，两，两开关间电开关间电压压25V特性特性

29、型号型号第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.4 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为了便于讨论，模拟多路开关中的一个开关用下图下图所示的所示的等效电路等效电路来表示。来表示。USRSCICIORONROFFCOCLRL模拟多路开关模拟多路开关中一个开关的中一个开关的等效电路等效电路RS为信号源内阻为信号源内阻，CI为开关的输入电容为开关的输入电容，RON是开关的是开关的导通电阻，导通电阻，ROFF是开关断开时的电阻是开关断开时的电阻，CIO是跨接在开是跨接在开关输入与输出端上的电容关输入与输出端上的电容，CO是输出电容是输出电容，RL和和CL为

30、为负载的电阻和电容。负载的电阻和电容。第三章 数据采集技术模拟多路转换器1. 漏电流漏电流漏电流漏电流: :通过断开的模拟开关的电流，用通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。表示。 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 在在n个模拟开关的并联个模拟开关的并联组合中，当一个开关导组合中，当一个开关导通时，其它通时，其它n1个开关个开关是断开的，未导通开关是断开的，未导通开关的漏电流将通过导通的的漏电流将通过导通的开关流经信号源。开关流经信号源。这样，将在输出端形成这样，将在输出端形成一个误差电压一个误差电压UOE。 I导导通通开开关关测量点测量点UOERLRONRSIIISSSS断断

31、开开开开关关漏电流电路漏电流电路第三章 数据采集技术模拟多路转换器1. 漏电流漏电流漏电流漏电流: :通过断开的模拟开关的电流，用通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。表示。 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 I导导通通开开关关测量点测量点UOERLRONRSIIISSSS断断开开开开关关漏电流电路漏电流电路输出端的误差电压：输出端的误差电压： 一般情况下：一般情况下：式中式中 n：并联的模拟开关数；并联的模拟开关数； IS：单个开关断开时的漏单个开关断开时的漏 电流。电流。第三章 数据采集技术模拟多路转换器如用两个如用两个AD7503构成构成16路输入通道。路输入通道。AD7

32、503每个每个通道断开时的漏电流通道断开时的漏电流IS=2nA（25），），其导通内阻其导通内阻RON=300，设设RS=1000，则可以算出漏电流引起的则可以算出漏电流引起的输出误差电压为：输出误差电压为：1. 漏电流漏电流3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 例子：例子：设该系统的满量程输入电压为设该系统的满量程输入电压为100mV，采，采用用1212位位A/DA/D转换器，每个量化级是转换器，每个量化级是24.4 V，则误差电压大于系统的量化单位。则误差电压大于系统的量化单位。讨论：讨论：第三章 数据采集技术模拟多路转换器如果通道数增加或信号源内如果通道数增加或信号源内阻很大

33、时，情况还要严重。阻很大时，情况还要严重。 改进的方法：改进的方法：采用分级结合电路。采用分级结合电路。1. 漏电流漏电流3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 .ABC输出输出12n12n12n多路开关的分级组合多路开关的分级组合将将3n个通道分成个通道分成3组，再用组，再用3个第二级的开关接到输出个第二级的开关接到输出端。这样将使流到输出端端。这样将使流到输出端的漏电流由的漏电流由(3n1)IS降到降到(n+1)IS，差不多减至，差不多减至1/3。第三章 数据采集技术模拟多路转换器2. 动态响应动态响应与动态响应有关的参数：与动态响应有关的参数：u 开关切换时间（设定时间）开关切

34、换时间（设定时间）u 开关闭合后系统的带宽开关闭合后系统的带宽3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 USRSRONCICTRL多路开关的动态响应等效电路多路开关的动态响应等效电路其中其中CT表示所有开表示所有开关输出电容关输出电容COT与与负载电容负载电容CL之和。之和。该等效电路不是很该等效电路不是很精确，但可以用来精确，但可以用来进行估算，如果估进行估算，如果估算出的值是实际需算出的值是实际需要值的要值的25倍，则倍，则相应系统多数能满相应系统多数能满足要求。反之，如足要求。反之，如果估算出来的值比果估算出来的值比需要的值差需要的值差12倍，倍，那就必须做更详细那就必须做更详细

35、的分析。的分析。第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 开关切换时间开关切换时间tS （设定时间）（设定时间）设设 CI RON+RS，则得时间常数则得时间常数:则则 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 2. 动态响应动态响应USRSRONCICTRL多路开关的动态响应等效电路多路开关的动态响应等效电路误差误差：以百分数表示的误差：以百分数表示的误差数值中百分号前的数字。数值中百分号前的数字。第三章 数据采集技术模拟多路转换器u 开关切换时间开关切换时间tS （设定时间）（设定时间）设设RON=100，COT=100pF，CL=20pF，RL=10M， CI=5pF，精度精度0.1

36、%，求设定时间。求设定时间。3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 2. 动态响应动态响应例子：例子：解：解： 当当RS = 0 时时当当RS = 2000时时第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 u 开关切换时间开关切换时间tS （设定时间）（设定时间）2. 动态响应动态响应讨论：讨论：等效电路的带宽：等效电路的带宽：RS对多路开关的切换时间有重要影响，对多路开关的切换时间有重要影响， RS越小，开关的越小，开关的动作就越快；对于高内阻的信号源，可用阻抗变换器动作就越快；对于高内阻的信号源，可用阻抗变换器(如如跟随器跟随器)，将阻抗变低

37、再接多路开关。，将阻抗变低再接多路开关。同样，同样，RON越小，开关的动作就越快；通常可以通过提高越小，开关的动作就越快；通常可以通过提高多路开关的电源电平，来减少多路开关的电源电平，来减少RON，从而加快开关动作。，从而加快开关动作。COT越小，开关的动作就越快；可以采用开关分级组合结越小，开关的动作就越快；可以采用开关分级组合结构，将使输出总电容由构，将使输出总电容由3nCO降至降至(n+3)CO。 第三章 数据采集技术模拟多路转换器3. 源负载效应误差源负载效应误差源负载效应误差：源负载效应误差：信号源电阻信号源电阻RS和开关导通电阻和开关导通电阻RON 与多路开关所接器件的等效电阻与多

38、路开关所接器件的等效电阻 RL分压而引起的误差。分压而引起的误差。3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 RSRONRLUS源负载效应的等效电路源负载效应的等效电路源负载效应误差源负载效应误差= 第三章 数据采集技术模拟多路转换器3. 源负载效应误差源负载效应误差3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 由于负载效应是一种分压作用，它使输出到由于负载效应是一种分压作用，它使输出到RL上的上的信号减小，因此应合理设计：信号减小，因此应合理设计：u 提高负载内阻，使提高负载内阻，使 RL RS+RON ；u 根据负载效应误差，计算出由此引起的根据负载效应误差，计算出由此引起的 衰

39、减，然后在下级提高增益加以补偿。衰减，然后在下级提高增益加以补偿。设某通道设某通道RS=300，RON=200，RL=5M，求负载效求负载效应误差应误差。例子：例子：解：解：负载效应误差负载效应误差 = = 第三章 数据采集技术模拟多路转换器4.串扰串扰 串扰：串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。的干扰。 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的等效电路计算串扰的等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断在多路开关系统中，串扰是通过断开开关之间的开开关之间

40、的分布电容分布电容进入的。进入的。如果如果RON2RS1和和RS2US1C10UOECCOT+LRON(b)第三章 数据采集技术模拟多路转换器4.串扰串扰 串扰：串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。的干扰。 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的等效电路计算串扰的等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断在多路开关系统中，串扰是通过断开开关之间的开开关之间的分布电容分布电容进入的。进入的。如果如果RON2RS1和和RS2(c)RS1C10COT+CLCi

41、n2+UOERS2Cin1US1第三章 数据采集技术模拟多路转换器4.串扰串扰 串扰：串扰：断开通道的信号电压耦合到接收通道引起断开通道的信号电压耦合到接收通道引起 的干扰。的干扰。 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10CCOT+LUOE(a)计算串扰的等效电路计算串扰的等效电路在多路开关系统中，串扰是通过断在多路开关系统中，串扰是通过断开开关之间的开开关之间的分布电容分布电容进入的。进入的。减小减小RS2与与RON，有利于减，有利于减小串扰。小串扰。加大加大CL也能减小串扰，但也能减小串扰，但不利于动态响应。不利于动态响应。讨论：

42、讨论： 第三章 数据采集技术模拟多路转换器5.其他特性与问题其他特性与问题 3.3.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 u 了解所给出的导通电阻值了解所给出的导通电阻值导通电阻随温度、导通程度、芯片电压等变化而变化。导通电阻随温度、导通程度、芯片电压等变化而变化。u 开关是否有死区开关是否有死区死区一般发生在栅极电压不够高的情况下。死区一般发生在栅极电压不够高的情况下。u 开关动作是否开关动作是否“先断后合先断后合”多路开关在做通道转换时，应选用多路开关在做通道转换时，应选用“先断后合先断后合”的多的多路开关。然而，在程控增益放大器中，若用多路开关路开关。然而，在程控增益放大器中，若用多

43、路开关来改变集成运算放大器的反馈电阻，以改变放大器的来改变集成运算放大器的反馈电阻，以改变放大器的增益，就不宜选用增益，就不宜选用“先断后合先断后合”的多路开关。的多路开关。 u 开关速度和功耗的关系开关速度和功耗的关系多路开关的功耗是其速度的函数，须按工作频率估算。多路开关的功耗是其速度的函数，须按工作频率估算。u 噪声（热噪声，噪声（热噪声，1/f 噪声等）噪声等）能够采集的最低信号电平受噪声的限制。能够采集的最低信号电平受噪声的限制。第三章 数据采集技术模拟多路转换器 -+.模拟地模拟地US1RS1US2RS2USnRSnRfUcm单端接法单端接法 (a)3.3.5 多路开关的配置多路开

44、关的配置 1. 单端接法单端接法 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，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。另一端各自接至多路开关的相应输入端。信号地与模拟地很接近；信号地与模拟地很接近；较好的共模抑制能力；较好的共模抑制能力；比较难实现，应用范围较窄。比较难实现，应用范围较窄。最大限度利用通道数；最大限度利用通道数；易受共模干扰；易受共模干扰；仅适用于所有输入信号均参考一个仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位的情况；公共电位的情况；各信号源需置于同样的噪声环境；各信号源需置于同样的噪声环境；特点：特点：u u u u 第三章 数据

45、采集技术模拟多路转换器单端接法单端接法 (b). -+UO.模拟地模拟地信号地信号地US1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfUcm2Ucmn3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置 1. 单端接法单端接法 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，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。另一端各自接至多路开关的相应输入端。信号地与模拟地相离较远；信号地与模拟地相离较远；抗共模干扰能力差；抗共模干扰能力差；比较容易实现。比较容易实现。第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置 2. 双端接法双端接法 双端

46、接法：双端接法：把所有输入信号源的两端各自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。分别接至多路开关的输入端。 -+US1RS1US2RS2RSnUSnUcm1Ucm2UcmnUORf双端接法双端接法优点：优点：抗共模干扰能抗共模干扰能 力强。力强。缺点：缺点：只能使用系统只能使用系统 的一半通道。的一半通道。注意：注意：当信号源的信当信号源的信 噪比较小时，噪比较小时， 必须使用此接必须使用此接 法。法。第三章 数据采集技术模拟多路转换器A + -Q Q 74LS273D D3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置 例子：例子：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供设计一

47、个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供 3232条通道，双端接法时提供条通道，双端接法时提供1616条通道。条通道。S0S7CH0CH7SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采样采样/ /保持保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W2345611234KAKBCD4501US11US19D0D7与与CPU相相连，连，D0D2分布分布作为多路开关的作为多路开关的地址线地址线A，B和和C，D3D6分别作分别作为为U1U4的控制的控制信号

48、信号INH单端接法单端接法第三章 数据采集技术模拟多路转换器A + -Q Q 74LS273D D3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置 例子：例子：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供 3232条通道，双端接法时提供条通道，双端接法时提供1616条通道。条通道。S0S7CH0CH7SmINHACBU1S0S7CH8CH15SmINHACBU2S0S7CH16CH23SmINHACBU3S0S7CH24CH31SmINHACBU4采样采样/ /保持保持347813141718256912151619D0D1D2D3D4D5D6D711W

49、2345611234KAKBCD4501US11D0D7与与CPU相相连，连，D0D2分布分布作为多路开关的作为多路开关的地址线地址线A，B和和C，D3D6分布作分布作为为U1U4的控制的控制信号信号INH双端接法双端接法UI+UI-第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.5 多路开关的配置多路开关的配置 消除抖动引起的误差消除抖动引起的误差 和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现动过程，会出现瞬变现象瞬变现象，使输出产生短暂的尖峰，使输出产生短暂的尖峰电压。若此时采集多路开关的输出信号，就可能引电压。若此时采集多路开关的输出信

50、号，就可能引入很大的误差。入很大的误差。 u硬件方法硬件方法：用硬件电路来实现，即用：用硬件电路来实现，即用 RC滤波器消除抖动；滤波器消除抖动；u软件方法软件方法：用软件延时的方法来解决。：用软件延时的方法来解决。 消除抖动的常用方法：消除抖动的常用方法：通常，软件方法较硬件方法更有优势。通常，软件方法较硬件方法更有优势。第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 1. 通道的扩展方法通道的扩展方法以以CD4501CD4501为例，扩展通道的方法有：为例，扩展通道的方法有：将将n片片CD4501加以组合，用门电路组成地址加以组合，用门电路组成地址译码器

51、，产生译码器，产生n个选址信号（相当于片选信个选址信号（相当于片选信号），分别接各片号），分别接各片CD4501的片选端；的片选端；将将n片片CD4501加以组合，采用集成的地址译加以组合，采用集成的地址译码器产生码器产生n个选址信号；个选址信号；将将n片片CD4501加以组合，另外使用一片加以组合，另外使用一片CD4501完成地址译码功能。完成地址译码功能。u u u 第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 1. 通道的扩展方法通道的扩展方法例子例子BACINH00.7I/O1IC0CD4501.BACINH18.15I/O2IC1CD4501.B

52、ACINH216.23I/O3IC2CD4501.BACINH324.31I/O4IC3CD4501.SWUOINH4+H1+H2+H3+H4ABCDEF1F232路单端输入时路单端输入时CD4501的连接方法的连接方法利用或门利用或门H1H4和和反相器反相器F1和和F2, 将将原来的三位地址扩原来的三位地址扩展成五位地址。展成五位地址。第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 1. 通道的扩展方法通道的扩展方法例子例子32路单端输入时路单端输入时CD4501的连接方法的连接方法EDINH0INH1INH2INH3选中的选中的片子片子构成的构成的通道通

53、道001101010111101111011110IC0IC1IC2IC30781516232431高位地址与禁止端的逻辑关系高位地址与禁止端的逻辑关系第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 2. 组成增益可程控的电压运算放大器组成增益可程控的电压运算放大器增益：增益：运算放大器两输入端运算放大器两输入端的等效电阻应相等：的等效电阻应相等：为了实现运放增益的程控，只需程控为了实现运放增益的程控，只需程控R1或或R2。同。同时也必须相应调节时也必须相应调节R3的大小。的大小。+-UOUiR1R2R3同相电压运放同相电压运放第三章 数据采集技术模拟多路转

54、换器+-UOUIR1R2R30123xy3210CD4502UDDUEE+5V-5V ABINHUCC译译码码器器8031P1.0P1.1P1.2P1.7CD4502和和8031单片机单片机组成程控运组成程控运放增益放增益3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 2. 组成增益可程控的电压运算放大器组成增益可程控的电压运算放大器例子例子第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 习习题题某数据采集系统具有某数据采集系统具有1616个模拟通道。各通道输入信号个模拟通道。各通道输入信号的频率不超过的频率不超过200Hz200Hz，至少要用每个采样周期

55、，至少要用每个采样周期1010个采个采样点的速度进行采样。问：样点的速度进行采样。问：（1 1）多路开关的切换速率应是多少？）多路开关的切换速率应是多少？（2 2）如果采用两个）如果采用两个CD4501CD4501芯片，来组成该多路开关。芯片，来组成该多路开关。画出简要的电路连线图。画出简要的电路连线图。(1)(1)由于输入信号的频率不超过由于输入信号的频率不超过200Hz200Hz，而每个采样周期至少，而每个采样周期至少 要要1010个采样点，因此对每个通道的采样频率至少是：个采样点，因此对每个通道的采样频率至少是：200*10=2000200*10=2000（HzHz） 由于采集系统具有由

56、于采集系统具有1616个通道，因此开关的切换速率至少为：个通道，因此开关的切换速率至少为：2000*16=320002000*16=32000（HzHz）答：答：第三章 数据采集技术模拟多路转换器3.3.6 模拟多路开关的应用模拟多路开关的应用 习习题题某数据采集系统具有某数据采集系统具有1616个模拟通道。各通道输入信号个模拟通道。各通道输入信号的频率不超过的频率不超过200Hz200Hz，至少要用每个采样周期，至少要用每个采样周期1010个采个采样点的速度进行采样。问：样点的速度进行采样。问：（1 1）多路开关的切换速率应是多少？）多路开关的切换速率应是多少？（2 2）如果采用两个）如果采用两个CD4501CD4501芯片，来组成该多路开关。芯片，来组成该多路开关。画出简要的电路连线图。画出简要的电路连线图。答：答：(2)(2)电路连线图如下图所示：电路连线图如下图所示：