数据采集系统设计第三章2模拟多路开关课件

1SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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：作用：将多路被测信号分别传送到将多路被测信号分别传送到A/D转转换器进行转换。换器进行转换。机电式：机电式：电子式：电子式：类型类型用于大电流、低速切换用于大电流、低速切换用于小电流、高速切换用于小电流、高速切换2SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关3SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关4SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关5SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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6SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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7SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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8SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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多路开关的主要指标 9SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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10SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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11SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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12SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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13SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关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 开关类型：开关类型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等等。14SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 芯片中无译码芯片中无译码器，四个通道开关器，四个通道开关都有各自的控制端。都有各自的控制端。15SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 16SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 优点：优点：每一个开关可单独通断，也可同每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。时通断，使用方式比较灵活。缺点：缺点：引脚较多，使得片内所集成的开关较少。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。当巡回检测点较多时，控制复杂。2.有译码器的多路开关有译码器的多路开关 AD7501（AD7503）17SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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片上所有逻辑输入与TTLDTL及及CMOS电路兼容电路兼容。18SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 表表3.1 AD7501真值表真值表 导通导通 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 无无19SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 AD7503 除除EN 端的控制逻辑电平相端的控制逻辑电平相反外反外,其它与其它与AD7501相同相同。AD7502 20SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 表表3.2 AD7502真值表真值表 接通通道接通通道 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1和和5 2和和6 3和和7 4和和8 无无21SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 注意：注意：AD7501，AD7502，AD7503 芯片都芯片都是单向多到一的多路开关，即信号只允许是单向多到一的多路开关，即信号只允许从多个从多个(8个个)输入端向一个输出端传送。输入端向一个输出端传送。22SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 23SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 CD4051为为8 通道单刀结构形式，它允许双通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用也可用于一到多的输出切换。于一到多的输出切换。24SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 表表3.3 CD4051真值表真值表 C B A 接通通道接通通道 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 无无25SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 CD4052 26SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 表表3.4 CD4052真值表真值表 输输 入入 接通通道接通通道 A B X Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 2 2 3 3 均不通均不通27SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 28SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 29SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.33.3 多路开关集成芯片多路开关集成芯片 (a).TI(Texas Instruments)。(b).AD(Analog Device)公司公司 http:/(c).MAXIM美信公司美信公司 /(d).National Semiconductor国家半导体公司国家半导体公司 http:/analog30SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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为了便于讨论，模拟多路开关中的一个开关用图关用图3.11所示的等效电路来表示。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31SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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是开关的导通电阻，是开关的导通电阻，ROFF是开关断开时的电是开关断开时的电阻阻，CIO是跨接在开关输入与输出端上的电容是跨接在开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为负载的电阻和电容。为负载的电阻和电容。32SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 1.漏电流漏电流漏电流漏电流 通过断开的模拟开关的电流，通过断开的模拟开关的电流，用用IS表示。表示。33SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 在在n个模拟开关的个模拟开关的并联组合中，当一个开并联组合中，当一个开关导通时，其它关导通时，其它n1个个开关是断开的，未导通开关是断开的，未导通开关的漏电流将通过导开关的漏电流将通过导通的开关流经信号源，通的开关流经信号源，如图如图3.12所示。所示。这样，将在输出端这样，将在输出端形成一个误差电压形成一个误差电压UOE。34SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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：输出端的误差电压：式中式中 IS 单个开关的漏电流。单个开关的漏电流。举例：举例：如用两个如用两个AD7503构成构成16路输入通道。路输入通道。AD7503每个通道断开时的漏电流每个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，则由式则由式(3-1)可以算出漏电流引起可以算出漏电流引起的输出误差电压为：的输出误差电压为：35SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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设该系统的满量程输入电压为100mV，采用采用12 位位AD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。如果通道数增加或信号源内阻很大时，如果通道数增加或信号源内阻很大时，情况还要严重。情况还要严重。改进的方法：改进的方法：采用分级组合电路。采用分级组合电路。36SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 将将3n个通道分个通道分成成3 组组，再用再用3个第个第二级的开关接到输二级的开关接到输出端。这样将使流出端。这样将使流到输出端的漏电流到输出端的漏电流由由(3n1)降到降到(n1)，差不多减差不多减至至37SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 2.动态响应动态响应响应参数响应参数开关切换时间（设定时间）开关切换时间（设定时间）开关闭合后系统带宽开关闭合后系统带宽38SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 39SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 设定时间设定时间 tS 设设 CI RS+RON根据负载效应误差，在下级根据负载效应误差，在下级 提高增益来补偿提高增益来补偿【例【例3.2】设某通道设某通道RS=300 ，RON=200 ，RL=5M ，求误差求误差。46SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 解：解：负载效应误差负载效应误差=4.串扰串扰 串扰串扰 断开通道的信号电压耦合到接断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰。收通道引起的干扰。47SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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分析串扰的等效电路如图3.16所示所示。48SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 可知可知减小减小RS2与与RON，有利于减小串扰。，有利于减小串扰。加大加大CL 也能减小串扰，但不利于也能减小串扰，但不利于 动态响应。动态响应。49SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.43.4 多路开关的电路特性多路开关的电路特性 50SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计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把所有输入信号源的一端接至同一信号地，另一端接至同一信号地，另一端各自接至多路开关的相应各自接至多路开关的相应输入端。输入端。如图如图3.17所示所示。第第3 3章章 模拟多路开关模拟多路开关51SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 图图3.17(a)的信号地与模拟地很接近，的信号地与模拟地很接近，但实际很难做到。但实际很难做到。-+UO.-+UO.模拟地模拟地模拟地模拟地信号地信号地US1RS1US2RS2USnRSnUS1RS1US2RS2USnRSnUcm1RfRf(a)(b)图图3.17 单端接法单端接法UcmUcm2Ucmn52SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计图图3.17(b)的信号地与模拟地相离较远的信号地与模拟地相离较远。优点：优点：缺点：缺点：能使用系统的全部通道。能使用系统的全部通道。抗共模干扰能力差。抗共模干扰能力差。2.双端接法双端接法双端接法双端接法 把所有输入信号源的两把所有输入信号源的两端各自分别接至多路开端各自分别接至多路开关的输入端。关的输入端。3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 53SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 54SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计双端接法如图双端接法如图3.18所示所示。3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 -+US1RS1US2RS2RSnUSnUcm1Ucm2UcmnUORf图图3.18 双端接法双端接法55SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计优点：优点：缺点：缺点：注意：注意：当信号源的信噪比较小时，必须当信号源的信噪比较小时，必须使用此接法。使用此接法。抗共模干扰能力强。抗共模干扰能力强。只能使用系统的一半通道。只能使用系统的一半通道。3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 56SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的配置多路开关的配置 57SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的选型多路开关的选型 58SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的选型多路开关的选型 59SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的选型多路开关的选型 60SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.53.5 多路开关的选型多路开关的选型 61SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.63.6 多路开关的应用多路开关的应用 62SAUACC数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计数据采集系统设计3.63.6 多路开关的应用多路开关的应用