数据采集与处理技术第3章

1、Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）数据采集与处理技术第3章 模拟多路开关Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）主要内容 多路开关的工作原理 常见的多路开关集成芯片 多路开关的电路特性 多路开关的选择 多路开关的应用Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）什么地方需要用到多路开关？传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器采采样样/保保持持器器显示器显示器打印机打印机绘图机绘

2、图机被测物理量被测物理量数字信号数字信号开关信号开关信号多路开关程控放大程控放大A/D转转换换器器定时与控制逻辑定时与控制逻辑计算机计算机接口接口Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）有些时候需要程控增益Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟多路开关 多路开关常用在多路信号公用一路AD转换器的数据采集系统中，用来将多路信号分别送入AD转换器进行转换。 常见两种形式 机电式 电子式四选一多路开关四选一多路开关S0S1S2S3A1A2YData Acquisi

3、tion and Processing Technology（数据采集与处理技术）机电式多路开关 电磁继电器、舌簧继电器等形式 动合型（常开）、动断型（常闭）和转换型 特点 有触点 接通电阻低，通常在毫欧级 主要用于大电流、高电压、低速切换的场所Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）电子式多路开关 电子式多路开关特点 无触点 导通电阻较大，常见几十到几百欧姆 常用在小电流、低电压、高速切换场所 通常以集成电路芯片形式出现 常见三种类型 双极型晶体管开关 场效应管开关 集成电路开关Data Acquisition and Pro

4、cessing Technology（数据采集与处理技术）电子多路开关的结构形式BECNPNBECPNP双极型晶体管双极型晶体管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Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）双极型晶体管开关的工作原理 充分利用了晶体管的饱和导通和截止的状态来完成信号的接通和关断 开关速度快 漏电流大、开路电阻小、导通电阻大 电流控制器件，基极电流会流入信号源 单向传输信号+15V+15VT1T1T8T8.通道

5、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VDDData Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）结型场效应管开关工作原理 优点 开关速度快 导通电阻小 可双向传递信号 缺点 分立元件 需专门的电平转换电路驱动.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VDDVDDData Acquisition

6、and Processing Technology（数据采集与处理技术）绝缘栅型场效应管开关工作原理 开关速度快 导通电阻小，随信号电压变化时波动小 易于和驱动电路集成+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Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）集成多路开关 将场效应管开关、地址计数器和译码器及控制电路等集成 译码器保证多路信号的选通逻辑不冲突 计数器有利于通道信号的自动循环选择1231516.四-十六线译码器四位计数器T1T

7、2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120.集成多路开关集成多路开关Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的主要技术指标Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的主要技术指标Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的主要技术指标Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关

8、的主要技术指标Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的电路特性 多路开关的一个开关的等效电路模型USRSCICIORONROFFCOCLRLData Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）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Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）漏电流带来的影响Data Acquisition an

9、d Processing Technology（数据采集与处理技术）减小漏电流影响的办法 采用分级结合电路的方法可以减小漏电流带来的影响 增加三个开关，可以差不多将漏电流减小到原来的1/3。 思考 B，C支路的漏电流的状况？.ABC输出输出12n12n12n多路开关的分级组合多路开关的分级组合Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的动态响应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：以百分数表示的误差误差：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。Data A

10、cquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的动态特性分析 设RON=100，COT=100pF，CL=20pF，RL=10M， CI=5pF，精度0.1%，求设定时间。)(9 .82)(1029. 81 . 0100ln10120100100ln)(812TONSSnssCRRt误差s74. 1101 .1741000ln102 .251 . 0100ln1012021008-812StData Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）动态特性的思考 源内阻与导通电阻对动态特性有

11、什么影响？ 电容对动态特性的影响是什么？ 怎么减小这些因素的影响？ 分级结合的电路对动态特性如何影响？Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关的源负载效应误差 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 与与多路开关所接器多路开关所接器件的件的等效电阻等效电阻RL分压而引起的误差。分压而引起的误差。RSRONRLUS源负载效应的等效电路源负载效应的等效电路%100LONSONSRRRRR源负载效应误差源负载效应误差= 怎么减小源负载效应误差？Data Acquisition and Processing

12、Technology（数据采集与处理技术）多路开关的串扰特性 串扰是指断开通道的信号电压耦合到接收通道而引起的干扰 通过断开开关之间的分布电容进入US1RS2RON2COUT+CLCin2UOECIORS1Cin1(A)等效电路等效电路US1CIORONUOECOUT+CL(B)RON2RS1或或RON2RS2时的简化图时的简化图US1RS1CIOCin1RS2UOECin2+COUT+CL(C)RON2RS1或或RON2RS2时的简化图时的简化图Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟开关的选择 通道数量 通道数量对传输信

13、号的精度和切换速度有直接影响 泄漏电流与串扰等都与通道数量有关 导通电阻的一致性与平坦度 导通电阻的变化影响精度，尤其是在负载阻抗较小的情况 平坦度体现导通电阻随输入信号电压变化的波动情况 一致性体现各通道之间在导通电阻上的差异Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟开关的选择 开关速度 注意与后级的采样速度和模数转换器速度之间的协调分配 泄漏电流 尽量选择泄漏电流小的模拟开关 芯片的电源电压范围 电源电压通常与切换速度和导通电阻有关 电源电压通常也约束了传输信号的电压范围Data Acquisition and Proce

14、ssing Technology（数据采集与处理技术）模拟开关的选择 故障保护和ESD保护 防止输入线路出现故障或静电积累的状况带来的对系统的损害 先断后合 先断后合的机制在用于通道切换的时候可以防止通道之间的短路 但是如果用于程控增益的情况，由于运放的开环增益很大，可能需要考虑使用先合后断的模拟开关Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟开关的选择 单端输入和差分输入 单端输入通道数多，而差分输入能够有效抑制共模干扰 信号带宽 模拟开关的分布电容会影响到通道的传输带宽 关断隔离度 对于高速信号，寄生电容还有可能影响到关断的

15、程度Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）典型的模拟开关集成芯片 无译码的多路开关Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）有译码的多路开关Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）AD7501Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）AD7502Data Acquisition and Processing Technology（数据采

16、集与处理技术）CD4051/2/3Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）CD4051功能框图Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）CD4052功能框图Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）CD4053功能框图Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）多路开关集成芯片小结 模拟多路开关集成芯片有多种形式 一对一（AD7510等） 一对多（CD4501，CD4502等） 多对一（AD7501，CD4501，CD4502等） 掌握控制电平及控制逻辑 注意连接方向 通过芯片手册掌握其他特性Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟多路开关的应用Data Acquisition and Processing Technology（数据采集与处理技术）模拟多路开关的应用Data Acquisition and Process