数据采集系统设计第三章2 模拟多路开关

1SAUACC数据采集系统设计3.1概述第3章模拟多路开关作用：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、高速切换2SAUACC数据采集系统设计第3章模拟多路开关3SAUACC数据采集系统设计第3章模拟多路开关4SAUACC数据采集系统设计第3章模拟多路开关+15V+15VT1T1T8T8...通道选择1通道选择8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号1模拟信号8图3.2双极型晶体管开关电路5SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标...T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R图3.3结型场效应管多路开关6SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8...图3.4绝缘栅场效应管多路开关7SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标1231516......四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120............图3.5集成多路开关8SAUACC数据采集系统设计3.2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9SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标10SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标11SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标12SAUACC数据采集系统设计3.2多路开关的工作原理及主要技术指标13SAUACC数据采集系统设计第3章模拟多路开关3.3多路开关集成芯片1.无译码器的多路开关开关类型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。14SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC图3.6AD7510芯片芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。15SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片16SAUACC数据采集系统设计3.3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⑴AD7501（AD7503）17SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片...电平转换译码驱动OUTENA1A2A0S8S1USSUDD(-15V)(+15V)地12345678910111213141516A1GNDENA2S8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7501...图3.7AD7501（AD7503）芯片结构及引脚功能片上所有逻辑输入与TTL／DTL及CMOS电路兼容。18SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片表3.1AD7501真值表A2A1A0EN导通00001111×00110011×01010101×11111111012345678无19SAUACC数据采集系统设计3.3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。⑵AD7502电平转换ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA0AD7502OUT(1～4)(5～8)......译码驱动OUTS8S1USS(-15V)地SS45OUT图3.8AD7502芯片结构及引脚功能20SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片表3.2AD7502真值表A1A0EN接通通道0011×0101×111101和52和63和74和8无21SAUACC数据采集系统设计3.3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。22SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片23SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片电平转换译码驱动S1UDD(-15V)(+15V)地S4S5S0S2S6S7S3INHCBAUEE12345678910111213141516Sm12345678910111213141516GNDS1S23S5S6S4S7SUDDCD4501S0ABCSmINHUEEIN/OUT(OUT/IN)IN/OUTIN/OUT{{图3.9CD4501芯片结构及引脚功能CD4051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。24SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片表3.3CD4051真值表INHCBA接通通道00000000100001111×00110011×01010101×S0S1S2S3S4S5S6S7无25SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片⑷CD4052UDD(-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(OUT/IN)YY(IN/OUT)(IN/OUT)X(OUT/IN)XX(IN/OUT){{}}图3.10CD4502芯片结构及引脚功能26SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片表3.4CD4052真值表输入接通通道ABXY0000010100111××00112233均不通INH27SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片28SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片29SAUACC数据采集系统设计3.3多路开关集成芯片(a).TI(TexasInstruments)。(b).AD(AnalogDevice)公司(c).MAXIM美信公司(d).NationalSemiconductor国家半导体公司数据采集系统设计3.4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3章模拟多路开关31SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性~USRSCICIORONROFFCOCLRL图3.11模拟多路开关中一个开关的等效电路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。32SAUACC数据采集系统设计3.4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。33SAUACC数据采集系统设计3.4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n－1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3.12所示。I导通开关测量点UOERLRONRSIIISSSS断开开关图3.12漏电流电路这样，将在输出端形成一个误差电压UOE。34SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性输出端的误差电压：UnIRROESSON()()1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。AD7503每个通道断开时的漏电流IS=2nA（25℃），其导通内阻RON=300Ω，设RS=1000Ω，则由式(3-1)可以算出漏电流引起的输出误差电压为：35SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性)V(1039)103.1()102(15639OEU设该系统的满量程输入电压为100mV，采用12位A／D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。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：采用分级组合电路。36SAUACC数据采集系统设计3.4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(3n－1)降到(n－1)，差不多减至13.........ABC输出12n12n12n①②③图3.13多路开关的分级组合37SAUACC数据采集系统设计3.4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USRSRONCICTRL~图3.14多路开关的动态响应等效电路38SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性39SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性⑴设定时间tS设CICT，则化简图3.14，得TRRCCSONT()则tTSCln100误差【例3.1】设RON=100Ω，COT=100pF，CL=20pF，RL=10MΩ，CI=5pF，精度0.1%，求设定时间。40SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性解：当RS=0时tRRCSSONTns()lnln..ln..1001001201010001120101000829108291288误差当RS=2000Ω时s74.1101.1741000ln102.251.0100ln1012021008-812St41SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性从以上计算可以看到：RS↓，开关切换↑。因此，要想法降低RS和总输出电容COT。减少前置电路的输出阻抗。42SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性⑵等效电路的带宽fRRCdBSONT312()43SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性3.源负载效应误差源负载效应误差——信号源电阻RS和开关导通电阻RON与多路开关所接器件的等效电阻RL分压而引起的误差。计算源负载效应误差的等效电路如图3.15所示。44SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性RSRONRLUS~图3.15源负载效应的等效电路源负载效应误差=RRRRRSONSONL100%45SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性由于负载效应是一种分压作用，使输出到上的信号减小，因此应合理设计①提高负载内阻，RLRS+RON②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=300Ω，RON=200Ω，RL=5MΩ，求误差。46SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性解：负载效应误差=%011.0%100105250300250300%1006LONSONSRRRRR4.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。47SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性分析串扰的等效电路如图3.16所示。US1US1RS1RON2RS2Cin2Cin1C10C10CCOT+LUOEUOECCOT+LRON(a)(c)(b)若RON2≥RS1或RS2~RS1~~C10COT+CLCin2+UOERS2Cin1US1图3.16计算串扰的等效电路48SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性可知①减小RS2与RON，有利于减小串扰。②加大CL也能减小串扰，但不利于动态响应。49SAUACC数据采集系统设计3.4多路开关的电路特性50SAUACC数据采集系统设计3.5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