数据采集系统设计第三章2 模拟多路开关

X (OUT/IN)
7
CD 4502
13 12 11 10 9
INH UEE GND
} X (IN/OUT)
B A
12
14
15
11
1
5
2
4
X(IN/OUT)
Y(IN/OUT)
图3.10 CD4502芯片结构及引脚功能
数据采集系统设计
25
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
表3.4 CD4052真值表
输
INH A
入
接通通道
B
0 1 0 1 ×
X
0 1 2 3
Y
0 1 2 3 均不通
26
0 0 0 0 1
0 0 1 1 ×
数据采集系统设计
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
数据采集系统设计
27
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
数据采集系统设计
28
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
(a). TI (Texas Instruments)。 www.ti.com.cn
数据采集系统设计
32
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
IS 断 开 开 关 IS IS 测量点 IS 导 通 开 关 R ON RL RS UOE
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。 这样，将在输出端 形成一个误差电压UOE。
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
⑷ CD4052
X(OUT/IN)
13
INH
6
B
9
A
10
Y(OUT/IN)
3
UDD
(+15V)
16
电平转换 Y (IN/OUT)
{ {
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14
UDD
地 UEE
(-15V)
8
译码驱动
Y(OUT/IN) Y(IN/OUT)
}X(IN/OUT)
2
1
20
7
数据采集系统设计
图3.5 集成多路开关
SAUACC
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
数据采集系统设计
8
SAUACC
Hale Waihona Puke Baidu
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
数据采集系统设计
9
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
数据采集系统设计
10
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
数据采集系统设计
11
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
数据采集系统设计
12
SAUACC
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。
数据采集系统设计
数据采集系统设计
21
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
数据采集系统设计
22
SAUACC
INH
6
3.3 多路开关集成芯片
C
9
B
10
A
11 IN/OUT
UDD
(+15V)
16
电平转换
{ S4
S
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14
6
(OUT/IN)
地 UEE
(-15V)
8
译码驱动
IN/OUT
1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14
A0 USS UDD S1 4) OUT(1 ～ S2 S3 S4
电平转换 译码驱动
地 USS
(-15V)
AD 7502
13 12 11 10 9
... OUT S1 S4 S5
...
图3.8 AD7502芯片结构及引脚功能
数据采集系统设计
19
SAUACC
13
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9
U SS GND A1 A2 A3 A4 NC UDD
S1 D1 S2 D2 S3 D3 S4 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
数据采集系统设计
数据采集系统设计
39
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
解：当RS = 0 时
100 100 12 tS ( RS RON ) CT ln 100 120 10 ln 01 . 误差 120 . 108 ln 1000 8.29 108 82.9ns
图3.4 绝缘栅场效应管多路开关
数据采集系统设计
6
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
Ui1 Ui2 Ui3 . . . Ui15 ...... Ui16 1 2 3 ...... 15 . . . T1 T2 T3 T15 T16 16 U0
四-十六线译码器
计数
四位计数器
2
3
2
2
0 1 0 1 0 1 0 1 ×
EN
1 1 1 1 1 1 1 1 0
导通
1 2 3 4 5 6 7 8 无
18
数据采集系统设计
SAUACC
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。 ⑵ AD7502
EN UDD
(+15V)
A1
A0 A1 GND EN (5 ～ 8) OUT S8 S7 S6 S5 S8 OUT
SAUACC
第3章 模拟多路开关
3.1 概述
将多路被测信号分别传送到A/D转 作用： 换器进行转换。
机电式： 用于大电流、低速切换
类型
用于小电流、高速切换 电子式：
数据采集系统设计
1
SAUACC
第3章 模拟多路开关
数据采集系统设计
2
SAUACC
第3章 模拟多路开关
数据采集系统设计
3
SAUACC
图3.12 漏电流电路
33
数据采集系统设计
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
输出端的误差电压：
U OE (n 1) I S ( RS RON )
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：
... ...
S1 S8
图3.7 AD7501（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。
数据采集系统设计
17
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
表3.1 AD7501真值表
A2
0 0 0 0 1 1 1 1 ×
A1
0 0 1 1 0 0 1 1 ×
A0
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。
数据采集系统设计
31
SAUACC
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。
14
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
数据采集系统设计
15
SAUACC
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）
数据采集系统设计
16
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
EN A2 A1 A0 A1
1 2 3 4 5 6 7 8 16 15
A0 USS UDD S1 OUT S2 S3 S4
UDD
(+15V)
电平转换 译码驱动 OUT
地 USS
(-15V)
GND EN A2 S8 S7 S6 S5
AD 7501
14 13 12 11 10 9
38
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
⑴ 设定时间 tS 设 CI << CT ，则化简图3.14，得
TC ( RS RON ) CT
则
100 t S TC ln 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。
Ui8
. . .
R 28 R 18
T1 T8
通道选择8
UC8
T8
图3.3 结型场效应管多路开关
数据采集系统设计
5
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
Ui1 -20V R 21 UC1 R 11 T1 Uo
Ui8
. . .
T1 +4V T8 R 28
-20V UC8 R 18
T8 +4V
当 RS = 2000Ω 时
100 t S 2100 120 10 ln 25.2 108 ln 1000 0.1 174.1 10-8 1.74s
12
数据采集系统设计
40
SAUACC
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。
数据采集系统设计
41
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
⑵ 等效电路的带宽
f 3dB 1 2 ( RS RON )CT
数据采集系统设计
42
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
改进的方法：采用分级组合电路。
数据采集系统设计
35
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
. . . A ①
1 2 n 1 2 n 1 2 n . . . . . .
B ②
输出
C ③
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
1 至 3
36
图3.13 多路开关的分级组合
数据采集系统设计
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
2. 动态响应
响应参数
RS
开关切换时间（设定时间）
开关闭合后系统带宽
R ON CI CT
US
~
RL
图3.14 多路开关的动态响应等效电路
数据采集系统设计
37
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
数据采集系统设计
数据采集系统设计
23
SAUACC
3.3 多路开关集成芯片
表3.3 CD4051真值表
INH
C 0 0 0 0 1 1 1 1 ×
B
A
接通通道 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 无
24
0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 × × 数据采集系统设计
3.3 多路开关集成芯片
表3.2 AD7502真值表
A1
0 0 1 1 ×
A0
0 1 0 1 ×
EN
1 1 1 1 0
接通通道 1和 5 2和 6 3和 7 4和 8 无
数据采集系统设计
20
SAUACC
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。
数据采集系统设计
29
SAUACC
第3章 模拟多路开关
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。
数据采集系统设计
30
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性 C IO
RS R ON R OFF CI CO RL CL
US
~
图3.11 模拟多路开关中一个开关的等效电路
数据采集系统设计
34
SAUACC
3.4 多路开关的电路特性
9 3 6
U OE 15 (2 10 ) (1.3 10 ) 3910
(V)
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 24.4V，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。
第3章 模拟多路开关
Ui1 模拟信号1 UC1 T1 R 21 通道选择1 R 11 T1
+15V
Uo
. . .
模拟信号8 Ui8 T8 R 28 通道选择 8 UC8 R 18 T8
+15V
图3.2 双极型晶体管开关电路
数据采集系统设计
4
SAUACC
3.2 多路开关的工作原理及主要技术指标
Ui1 R 21 通道选择1 U C1 R 11 T1 Uo
{ S5
INH UEE
Sm S7
CD 4501
13 12 11 10 9
7
UDD S2 S1 S0 S3 A B C
IN/OUT
GND
3 4 2 5 1 12 15 14 13
Sm S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0
图3.9 CD4501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。
(b).AD (Analog Device)公司
http://www.analog.com/zh/index.html
(c).MAXIM美信公司
http://china.maxim-ic.com/
(d).National Semiconductor国家半导体公司
http://www.national.com/analog