摘? 要: 從應(yīng)用的角度出發(fā),研究了集成多路模擬開(kāi)關(guān)的應(yīng)用技巧,并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了討論。這些應(yīng)用技巧具有較強(qiáng)的針對(duì)性和可操作性,對(duì)集成多路模擬開(kāi)關(guān)的正確選擇與合理使用具有指導(dǎo)意義,。?

　　關(guān)鍵詞: 集成多路模擬開(kāi)關(guān)? 傳輸精度? 傳輸速度?

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　　集成多路模擬開(kāi)關(guān)(以下簡(jiǎn)稱多路開(kāi)關(guān))是自動(dòng)數(shù)據(jù)采集,、程控增益放大等重要技術(shù)領(lǐng)域的常用器件,其實(shí)際使用性能的優(yōu)劣對(duì)系統(tǒng)的精度和可靠性有重要影響。關(guān)于多路開(kāi)關(guān)的應(yīng)用技術(shù),一些文獻(xiàn)上的介紹有兩點(diǎn)不足:一是對(duì)器件自身介紹較多,而對(duì)器件與相關(guān)電路的合理搭配與協(xié)調(diào)介紹較少;二是原則性的東西介紹較多,而操作性的東西介紹較少,。研究表明:只有正確選擇多路開(kāi)關(guān)的種類,注意多路開(kāi)關(guān)與相關(guān)電路的合理搭配與協(xié)調(diào),保證各電路單元有合適的工作狀態(tài),才能充分發(fā)揮多路開(kāi)關(guān)的性能,甚至彌補(bǔ)某些性能指標(biāo)的欠缺,收到預(yù)期的效果,。本文從應(yīng)用的角度出發(fā),研究多路開(kāi)關(guān)的應(yīng)用技巧。目前市場(chǎng)上的多路開(kāi)關(guān)以CMOS電路為主,故以下的討論除特別說(shuō)明外,均針對(duì)這類產(chǎn)品,。?

1 “先斷后通”與“先通后斷”的選擇?

　　目前市場(chǎng)上的多路開(kāi)關(guān)的通斷切換方式大多為“先斷后通”(Break-Before-Make),。?

　　在自動(dòng)數(shù)據(jù)采集中,應(yīng)選用“先斷后通”的多路開(kāi)關(guān)。否則,就會(huì)發(fā)生兩個(gè)通道短接的現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞信號(hào)源或多路開(kāi)關(guān)自身,。?

　　然而,在程控增益放大器中,若用多路開(kāi)關(guān)來(lái)改變集成運(yùn)算放大器的反饋電阻,以改變放大器的增益,就不宜選用“先斷后通”的多路開(kāi)關(guān),。否則,放大器就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)環(huán)狀態(tài)。放大器的開(kāi)環(huán)增益極高,易破壞電路的正常工作,甚至損壞元器件,一般應(yīng)予避免,。?

2 選擇合適的傳輸信號(hào)輸入方式?

　　傳輸信號(hào)一般有單端輸入和差動(dòng)輸入兩種方式,分別適用于不同的場(chǎng)合,。?

　　單端輸入方式如圖1所示,即把所有信號(hào)源一端接同一信號(hào)地,信號(hào)地與ADC等的模擬地相接,各信號(hào)源的另一端分別接多路開(kāi)關(guān)。圖中Vs為傳輸信號(hào),Vc為系統(tǒng)中的共模干擾信號(hào),。?

　　圖1(a)接法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需減少一半通道數(shù),也可保證系統(tǒng)的共模抑制能力;缺點(diǎn)是僅適用于所有傳輸信號(hào)均參考一個(gè)公共電位,且各信號(hào)源均置于同樣的噪聲環(huán)境下,否則會(huì)引入附加的差模干擾,。?

　　圖1(b)接法適用于所有傳輸信號(hào)相對(duì)于系統(tǒng)模擬公共地的測(cè)量,且信號(hào)電平明顯大于系統(tǒng)中的共模干擾。其優(yōu)點(diǎn)是可得到最多的通道數(shù),缺點(diǎn)是系統(tǒng)基本失去了共模抑制能力,。?

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　　差動(dòng)輸入方式如圖2所示,即把所有信號(hào)源的兩端分別接至多路開(kāi)關(guān)的輸入端,。其優(yōu)點(diǎn)是抗共模干擾的能力強(qiáng),缺點(diǎn)是實(shí)際通道數(shù)只有單端輸入方式的一半。當(dāng)傳輸信號(hào)的信噪比較低時(shí),必須使用差動(dòng)輸入方式,。?

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3 減小導(dǎo)通電阻的影響?

　　多路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻R_ON(一般為數(shù)10Ω至1kΩ左右)比機(jī)械開(kāi)關(guān)的接觸電阻(一般為mΩ量級(jí))大得多,對(duì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)傳輸精度或程控增益放大的增益影響較明顯,而且R_ON通常隨電源電壓高低,、傳輸信號(hào)的幅度等的變化而變化,因而其影響難以進(jìn)行后期修正。實(shí)踐中一般是設(shè)法減小R_ON來(lái)降低其影響。?

　　以CD4051為例,測(cè)試發(fā)現(xiàn)^[1]:CD4051的R_ON隨電源電壓和輸入模擬電壓的變化而變化,。當(dāng)V_DD=5V,、V_EE=0V時(shí),R_ON≈280Ω,且隨Vi的變化突變;當(dāng)V_DD>10V、V_EE=0V時(shí),R_ON≈100Ω,且隨V_i的變化緩變,?？梢?jiàn),適當(dāng)提高CD4051的V_DD有利于減小R_ON的影響。必須注意:提高V_DD的同時(shí),應(yīng)相應(yīng)提高選通控制端A,、B,、C的輸入邏輯電平。例如:取V_DD=12V(V_EE=0V),可采用電源電壓上拉箝位的方法,上拉電阻的阻值取1.5kΩ以上,使選通控制端信號(hào)的有效高電平不低于6V,。這樣,既保證CD4051理想導(dǎo)通(R_ON小),又實(shí)現(xiàn)了CMOS電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換(μP一般為TTL電平),。?

　　可見(jiàn),根據(jù)具體情況,適當(dāng)提高多路開(kāi)關(guān)的電源電壓,是降低其RON影響的一種有效措施。此外,適當(dāng)提高電源電壓,還可以同時(shí)減小導(dǎo)通電阻路差ΔRON和加快開(kāi)關(guān)速度,。?

4 消除抖動(dòng)引起的誤差?

　　和機(jī)械開(kāi)關(guān)類似,多路開(kāi)關(guān)在通道切換時(shí)也存在抖動(dòng)過(guò)程,會(huì)出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象,。若此時(shí)采集多路開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào),就可能引入很大的誤差。例如^[2]:某計(jì)算機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采集三個(gè)模擬量:水泵轉(zhuǎn)速,、流量、壓力,。三個(gè)模擬量對(duì)應(yīng)的TTL電平分別為:1.5454V,，1.5698V、2.9394V,。采集系統(tǒng)從通道1,、2、3分別對(duì)這三個(gè)模擬量連續(xù)采集10次,采集結(jié)果位于1.8554～1.8603,、1.5625～1.5673,、1.62207～1.62695之間,其中1、3通道的誤差很大,。研究發(fā)現(xiàn),這種誤差是由于系統(tǒng)在多路開(kāi)關(guān)通斷切換未穩(wěn)定下來(lái)就采集數(shù)據(jù)造成的,。?

　　消除抖動(dòng)的常用方法有兩種:一是用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)(硬件方法),即用RC濾波器濾除抖動(dòng);另一種是用軟件延時(shí)的方法來(lái)解決(軟件方法)。在有μP的系統(tǒng)中,軟件方法較硬件方法更顯優(yōu)勢(shì),。如上例中,只要在原Quick-BASIC數(shù)據(jù)采集程序中加入一循環(huán)語(yǔ)句來(lái)適當(dāng)延時(shí),則采集結(jié)果位于1.5454～1.5478,、1.5698～1.5722、2.9394～2.9418之間,采集精度明顯提高,采集結(jié)果正常,。?

5 提高切換速度?

　　多路開(kāi)關(guān)的切換速度與其自身的結(jié)構(gòu),、工作條件以及外電路的情況都有關(guān)系。在實(shí)踐中應(yīng)注意以下幾點(diǎn):?

　　所有的多路開(kāi)關(guān)的平均傳輸延遲時(shí)間t_pd均隨V_DD的升高而減小,。以CD4051為例^[3],當(dāng)V_DD=5V時(shí),t_pd=720ns;當(dāng)V_DD=10V時(shí),t_pd=320ns;當(dāng)V_DD=15V時(shí),t_pd=240ns,。可見(jiàn),適當(dāng)提高多路開(kāi)關(guān)的電源電壓,可加快其開(kāi)關(guān)速度。?

　　傳輸信號(hào)的信號(hào)源內(nèi)阻R_s對(duì)多路開(kāi)關(guān)的切換時(shí)間有重要影響,。分析表明:在其它條件不變的情況下,切換時(shí)間近似與R_s成正比,即R_s越小,開(kāi)關(guān)的動(dòng)作就越快,。所以,對(duì)高內(nèi)阻的信號(hào)源(一些傳感器就是如此),宜用阻抗變換器(如電壓跟隨器),將阻抗變低后再接入多路開(kāi)關(guān)。此外,減小R_s還可同時(shí)減小多路開(kāi)關(guān)的關(guān)斷漏電流造成的誤差,。?

　　當(dāng)系統(tǒng)需要的信號(hào)通道數(shù)較多時(shí),宜采用圖3所示的兩級(jí)聯(lián)接方式,。在圖3中,假設(shè)系統(tǒng)共需要32個(gè)信號(hào)通道,將這32個(gè)通道分成4組,各組分別接至4個(gè)二級(jí)開(kāi)關(guān),信號(hào)由二級(jí)開(kāi)關(guān)輸出。設(shè)每個(gè)開(kāi)關(guān)的輸出電容為C_O,，則輸出總電容由32C_O降至大約12C_O,電路的時(shí)間常數(shù)減小,開(kāi)關(guān)速度提高,。此外,這種聯(lián)接方式還可以使多路開(kāi)關(guān)的總關(guān)斷漏電流由31I_Z降至大約10I_Z(設(shè)每個(gè)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷漏電流為I_Z),從而減小關(guān)斷漏電流造成的誤差。對(duì)上述兩種作用,通道數(shù)越多效果越顯著,。當(dāng)然,這種聯(lián)接方式需要的開(kāi)關(guān)數(shù)相對(duì)多些,選通控制也相對(duì)復(fù)雜些,因而主要用于信號(hào)通道數(shù)較多的場(chǎng)合,。?

　　目前市場(chǎng)上的多路開(kāi)關(guān)以RCA、AD,、SILICONIX,、MOTOROLA、MAXIN等公司的產(chǎn)品為多見(jiàn),種類繁多,性能,、價(jià)格差異較大(詳見(jiàn)有關(guān)公司的相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)),。選擇和使用多路開(kāi)關(guān)時(shí),考慮的重點(diǎn)是滿足系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸精度和傳輸速度的要求,同時(shí)還必須注意以下兩點(diǎn):?

　　第一,全面了解多路開(kāi)關(guān)的特性,否則可能出現(xiàn)難以預(yù)料的問(wèn)題。例如:CMOS多路開(kāi)關(guān)在電源切斷時(shí)是斷開(kāi)的,而結(jié)型FET多路開(kāi)關(guān)在電源切斷時(shí)是接通的,。若未注意到這一點(diǎn),就可能因電源的通斷而損壞有關(guān)芯片,。?

　　第二,多路開(kāi)關(guān)只有與相關(guān)電路合理搭配,協(xié)調(diào)工作,才能充分發(fā)揮其性能,甚至彌補(bǔ)某些性能的欠缺。否則,片面追求多路開(kāi)關(guān)的高性能,忽視與相關(guān)電路的搭配與協(xié)調(diào),不但會(huì)造成成本與性能指標(biāo)的浪費(fèi),而且往往收不到預(yù)期的效果,。?

　　此外,受芯片種類或應(yīng)用場(chǎng)合的限制,在實(shí)踐中往往有多余的通道,。由于多路開(kāi)關(guān)的內(nèi)部電路相互聯(lián)系,所以多余的通道可能產(chǎn)生干擾信號(hào),必要時(shí)應(yīng)作適當(dāng)處理。例如^[4]:測(cè)試多路開(kāi)關(guān)CC4097和CC4067時(shí)發(fā)現(xiàn),所有多余通道的輸入端都必須接地,否則將產(chǎn)生干擾信號(hào),。?

??? 有關(guān)多路開(kāi)關(guān)的基本應(yīng)用技術(shù),許多文獻(xiàn)上都有介紹^[5],本文不予贅述,。?

參考文獻(xiàn)?

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