第2章多路开关采样AD转换误差计算
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AD7501内部结构和引脚图
多路开关集成芯片 表3.1 AD7501真值表
A2
A1
A0
EN 导通
0
0
0
1
1
0
0
1
1
2
0
1
0
1
3
0
1
1
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4
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5
1
0
1
1
6
1
1
0
1
7
1
1
1
1
8
×
×
×
0
无
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。
⑵ AD7502
EN A1 A0
. .
则令通道控制信号
模拟信号8
U i8
T8
UC1= 0，晶体管T1′截止， 集电极为高电平，晶体管
U C8
R 18
通道选择 8
R 28 +15V T8
T1导通，输入信号电压 Ui1被选中。
图3.2 双极型晶体管开关电路
同理：当令通道控制信号UC2= 0 时，则选 中第2路模拟信号， UO = Ui2 。
3. 集成电路开关
集成电路开关—— 将多路开关、计数器、 译码器制造在一个芯 片上。
T1 U i1
U i2
T2
U i3...
...
U i15
U i16
T3 ......
1 2 3 ...... 四-十六线译码器
T 15 T 16
15 16
计数
四位计数器
23 22 21 20
工作原理如下：
设选择第1路输入信号， 则计算机输出一个4位二进 U 0 制码，把计数器置成0001 状态，经四 — 十六线 译码器后，第1根线输出高 电平，场效应管T1导通， UO= Ui1 ，选中第1路信号。
UDD
(+15V)
地
USS
(-15V)
电平转换 译码驱动
...
...
OUT S1 S4 S5 S8 OUT
A1 GND
EN (5～ 8 )OUT
S8
S7 S6 S5
1
16
2
15
3
14
4 AD 13
5
7502
U C1 R 11
.
T1
则开关控制管T1′导通，集电
来自百度文库
.
极为低电平，场效应管T1导 通，UO=Ui1 。
U i8 .
T8
当UC1 =0时， T1′截止，
R 28
T1也截止，第1路输入信号被 切断。
通道选择8
U C8 R 18
T8
优点：开关切换速度快，导通电阻小，可 两个方向传送信号。
缺点：为分立元件，需专门的电平转换电 路驱动，使用不方便。
2、泄漏电流。指开关断开时流过模拟开关的电流。一 个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于 无限大，漏电流为零。但由于实际开关断开时电阻不 为无限大，导致泄漏电流不为零。一般希望泄漏电流 越小越好。 3、导通电阻。指开关闭合时的电阻。导通电阻会损 失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低 阻抗时损失会更大。因此，导通电阻的一致性越好， 系统在采集各路信号时由开关引起的误差越小。
如果要连续选通第1路到 第3路的信号，可以在计数器 加入计数脉冲，每加入一次 脉冲，计数器加1，状态依次 变为 0001，0010，0011。
2.4.1模拟多路开关的性能指标
1、通道数量。集成模拟开关通常包括多个通道，通 道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的 影响，通道数量越多，寄生电容和泄漏电流越大。
分类
为机械触点式和集成模拟电子开关
电 双极性晶体管开关
子
结型
式 场效应晶体管开关
类
绝缘栅型
型 集成电路开关
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
U i1 模拟信号1
T1
Uo
⑴双极型晶体管开关
其工作原理如下：
通道选择
U C1 1
R 11
R 21 +15V T1
.
设选择第1路模拟信号。
都由传感器、模拟信号调理电路、采样电路三部分组成
2.4 模拟多路开关
模拟多路开关(Analog switches)也称多路转换 器(Multiplexer)，主要用于信号的切换，是输入通道 的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模 拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分 时与放大器、A／D转换器等接通，利用一片A／D转 换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件 电路的利用率，节省成本。
⑵ 绝缘栅场效应管开关
U i1 -20V
U C1 R 11
. . U i8 .
-20V
U C8 R 18
T1
R 21
T1 +4V
T8
R 28 T8 +4V
Uo
其工作原理与结 型场效应管多路开关 类似。
优点：开关切换速度快，导通电阻小，且 随信号电压变化波动小；易于和驱 动电路集成。
缺点：衬底要有保护电压。
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）
2、八通道单向模拟多路开关AD7501 AD7501是一种8路输入、一路输出的CMOS集成芯 片，导通电阻为170～300Ω，漏电流为0.2～2nA， 导通截止时间典型值为0.8μs，其内部结构和引脚如 图2.25所示
A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 NC 7 U DD 8
16 S 1 15 D 1 14 S 2 13 D 2 12 S 3 11 D 3 10 S 4 9 D4
芯片中无译码 器，四个通道开关 都有各自的控制端。
图3.6 AD7510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。
注意：在控制信号UC1～ UC8中不能同时有 两个或两个以上为0。
优点：开关速度快。
缺点：①漏电流大，开路电阻小，导通电 阻大。
②电流控制器件，功耗大，集成度 低，一个方向传送信号。
2. 场效应管开关
⑴ 结型场效应晶体管开关
工作原理如下：
U i1
T1
Uo
设选择第1路信号。
R 21
则令通道控制信号UC1=1，通道选择1
4、开关速度。指开关接通或断开的速度。对于频率 较高的信号，要求模拟开关的切换速度快，同时还应 考虑与后级采样保持器、A/D转换器的速度相适应， 从而以最优的性能价格比选择器件。
除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重 要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关 系。电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。 反之，导通电阻越大。
2.4.2集成模拟多路开关
目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051 （双向、8路）、CD4052（单向、差动4路）、 AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等 。它们功能 相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异 。
多多路路开开关关集集成成芯芯片片
U SS 1 GND 2
多路开关集成芯片 表3.1 AD7501真值表
A2
A1
A0
EN 导通
0
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1
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×
×
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无
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。
⑵ AD7502
EN A1 A0
. .
则令通道控制信号
模拟信号8
U i8
T8
UC1= 0，晶体管T1′截止， 集电极为高电平，晶体管
U C8
R 18
通道选择 8
R 28 +15V T8
T1导通，输入信号电压 Ui1被选中。
图3.2 双极型晶体管开关电路
同理：当令通道控制信号UC2= 0 时，则选 中第2路模拟信号， UO = Ui2 。
3. 集成电路开关
集成电路开关—— 将多路开关、计数器、 译码器制造在一个芯 片上。
T1 U i1
U i2
T2
U i3...
...
U i15
U i16
T3 ......
1 2 3 ...... 四-十六线译码器
T 15 T 16
15 16
计数
四位计数器
23 22 21 20
工作原理如下：
设选择第1路输入信号， 则计算机输出一个4位二进 U 0 制码，把计数器置成0001 状态，经四 — 十六线 译码器后，第1根线输出高 电平，场效应管T1导通， UO= Ui1 ，选中第1路信号。
UDD
(+15V)
地
USS
(-15V)
电平转换 译码驱动
...
...
OUT S1 S4 S5 S8 OUT
A1 GND
EN (5～ 8 )OUT
S8
S7 S6 S5
1
16
2
15
3
14
4 AD 13
5
7502
U C1 R 11
.
T1
则开关控制管T1′导通，集电
来自百度文库
.
极为低电平，场效应管T1导 通，UO=Ui1 。
U i8 .
T8
当UC1 =0时， T1′截止，
R 28
T1也截止，第1路输入信号被 切断。
通道选择8
U C8 R 18
T8
优点：开关切换速度快，导通电阻小，可 两个方向传送信号。
缺点：为分立元件，需专门的电平转换电 路驱动，使用不方便。
2、泄漏电流。指开关断开时流过模拟开关的电流。一 个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于 无限大，漏电流为零。但由于实际开关断开时电阻不 为无限大，导致泄漏电流不为零。一般希望泄漏电流 越小越好。 3、导通电阻。指开关闭合时的电阻。导通电阻会损 失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低 阻抗时损失会更大。因此，导通电阻的一致性越好， 系统在采集各路信号时由开关引起的误差越小。
如果要连续选通第1路到 第3路的信号，可以在计数器 加入计数脉冲，每加入一次 脉冲，计数器加1，状态依次 变为 0001，0010，0011。
2.4.1模拟多路开关的性能指标
1、通道数量。集成模拟开关通常包括多个通道，通 道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的 影响，通道数量越多，寄生电容和泄漏电流越大。
分类
为机械触点式和集成模拟电子开关
电 双极性晶体管开关
子
结型
式 场效应晶体管开关
类
绝缘栅型
型 集成电路开关
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
U i1 模拟信号1
T1
Uo
⑴双极型晶体管开关
其工作原理如下：
通道选择
U C1 1
R 11
R 21 +15V T1
.
设选择第1路模拟信号。
都由传感器、模拟信号调理电路、采样电路三部分组成
2.4 模拟多路开关
模拟多路开关(Analog switches)也称多路转换 器(Multiplexer)，主要用于信号的切换，是输入通道 的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模 拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分 时与放大器、A／D转换器等接通，利用一片A／D转 换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件 电路的利用率，节省成本。
⑵ 绝缘栅场效应管开关
U i1 -20V
U C1 R 11
. . U i8 .
-20V
U C8 R 18
T1
R 21
T1 +4V
T8
R 28 T8 +4V
Uo
其工作原理与结 型场效应管多路开关 类似。
优点：开关切换速度快，导通电阻小，且 随信号电压变化波动小；易于和驱 动电路集成。
缺点：衬底要有保护电压。
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）
2、八通道单向模拟多路开关AD7501 AD7501是一种8路输入、一路输出的CMOS集成芯 片，导通电阻为170～300Ω，漏电流为0.2～2nA， 导通截止时间典型值为0.8μs，其内部结构和引脚如 图2.25所示
A1 3 A2 4 A3 5 A4 6 NC 7 U DD 8
16 S 1 15 D 1 14 S 2 13 D 2 12 S 3 11 D 3 10 S 4 9 D4
芯片中无译码 器，四个通道开关 都有各自的控制端。
图3.6 AD7510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。
注意：在控制信号UC1～ UC8中不能同时有 两个或两个以上为0。
优点：开关速度快。
缺点：①漏电流大，开路电阻小，导通电 阻大。
②电流控制器件，功耗大，集成度 低，一个方向传送信号。
2. 场效应管开关
⑴ 结型场效应晶体管开关
工作原理如下：
U i1
T1
Uo
设选择第1路信号。
R 21
则令通道控制信号UC1=1，通道选择1
4、开关速度。指开关接通或断开的速度。对于频率 较高的信号，要求模拟开关的切换速度快，同时还应 考虑与后级采样保持器、A/D转换器的速度相适应， 从而以最优的性能价格比选择器件。
除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重 要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关 系。电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。 反之，导通电阻越大。
2.4.2集成模拟多路开关
目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051 （双向、8路）、CD4052（单向、差动4路）、 AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等 。它们功能 相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异 。
多多路路开开关关集集成成芯芯片片
U SS 1 GND 2