數(shù)據(jù)采集第三章

教學(xué)內(nèi)容第3章模擬多路開(kāi)關(guān)13.1概述3.2工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)3.3多路開(kāi)關(guān)集成芯片3.4多路開(kāi)關(guān)的電路特性3.5多路開(kāi)關(guān)的配置第3章模擬多路開(kāi)關(guān)本章教學(xué)內(nèi)容2第3章模擬多路開(kāi)關(guān)3.1

概述33.1概述本節(jié)教學(xué)目標(biāo)了解多路開(kāi)關(guān)的類型

4作用：將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。機(jī)電式：

電子式：

類型用于大電流、低速切換用于小電流、高速切換3.1概述用途：

用途：

53.1概述雙極性晶體管開(kāi)關(guān)

場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)

電子式類型結(jié)型絕緣柵型集成電路開(kāi)關(guān)6第3章模擬多路開(kāi)關(guān)3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)73.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)本節(jié)教學(xué)目標(biāo)了解多路開(kāi)關(guān)的工作原理

81.

多路開(kāi)關(guān)工作原理⑴雙極型晶體管開(kāi)關(guān)

其工作原理如下：設(shè)選擇第1路模擬信號(hào)。

則令通道控制信號(hào)UC1=0，晶體管T1′截止，集電極為高電平，晶體管T1導(dǎo)通，輸入信號(hào)電壓Ui1被選中。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)圖3-2

雙極性晶體管開(kāi)關(guān)9同理：當(dāng)令通道控制信號(hào)UC2=0

時(shí)，則選中第2路模擬信號(hào)，

UO=Ui2

。注意：在控制信號(hào)UC1～UC8中不能同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上為0。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：②電流控制器件，功耗大，集成度低，一個(gè)方向傳送信號(hào)。①漏電流大，開(kāi)路電阻小，導(dǎo)通電阻大。開(kāi)關(guān)速度快。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)10⑵

場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)

①

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)工作原理如下：設(shè)選擇第1路信號(hào)。

則令通道控制信號(hào)UC1=1，則開(kāi)關(guān)控制管T1′導(dǎo)通，集電極為低電平，場(chǎng)效應(yīng)管T1導(dǎo)通，UO=Ui1

。

當(dāng)UC1=0時(shí)，T1′截止，

T1也截止，第1路輸入信號(hào)被切斷。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)圖3-3

結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)11優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，可兩個(gè)方向傳送信號(hào)。為分立元件，需專門的電平轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)，使用不方便。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)12②

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)其工作原理與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管多路開(kāi)關(guān)類似。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)圖3-4

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)圖3-4為8路N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管多路開(kāi)關(guān)。13優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)切換速度快，導(dǎo)通電阻小，且隨信號(hào)電壓變化波動(dòng)?。灰子诤万?qū)動(dòng)電路集成。襯底要有保護(hù)電壓。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)14⑶

集成電路開(kāi)關(guān)集成電路開(kāi)關(guān)—將多路開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)器、譯碼器制造在一個(gè)芯片上。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)15工作原理如下：設(shè)選擇第1路輸入信號(hào)，則計(jì)算機(jī)輸出一個(gè)4位二進(jìn)制碼，把計(jì)數(shù)器置成0001狀態(tài)，經(jīng)四—十六線譯碼器后，第1根線輸出高電平，場(chǎng)效應(yīng)管T1導(dǎo)通，UO=Ui1

，選中第1路信號(hào)。如果要連續(xù)選通第1路到第3路的信號(hào)，可以在計(jì)數(shù)器加入計(jì)數(shù)脈沖，每加入一次脈沖，計(jì)數(shù)器加1，狀態(tài)依次變?yōu)?001，0010，0011。3.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)圖3-5

集成多路開(kāi)關(guān)163.2

工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)2.

多路開(kāi)關(guān)的主要指標(biāo)

RON

：導(dǎo)通電阻；RONVS：導(dǎo)通電阻溫度漂移；IC：開(kāi)關(guān)接通電流；IS

：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的泄漏電流；CS：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)對(duì)地電容；

COUT：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，輸出端對(duì)地電容；17第3章模擬多路開(kāi)關(guān)3.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

183.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)

了解常用的多路開(kāi)關(guān)集成芯片的內(nèi)部構(gòu)造

191.

無(wú)譯碼器的多路開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)類型：TL182C、AD7510、AD7511、AD7512等。3.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

20芯片中無(wú)譯碼器，四個(gè)通道開(kāi)關(guān)都有各自的控制端。3.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

圖3-6

AD7510芯片21優(yōu)點(diǎn)：每一個(gè)開(kāi)關(guān)可單獨(dú)通斷，也可同時(shí)通斷，使用方式比較靈活。缺點(diǎn)：引腳較多，使得片內(nèi)所集成的開(kāi)關(guān)較少。當(dāng)巡回檢測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，控制復(fù)雜。2.

有譯碼器的多路開(kāi)關(guān)

⑴AD7501（AD7503）3.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

223.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

圖3-6

AD7501（AD7503）芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能23

表3.1AD7501真值表

導(dǎo)通

00001111×

00110011×

01010101×

111111110

12345678

無(wú)3.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

24⑵

AD75023.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

圖3-7

AD7502芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能253.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

表3.2AD7502真值表

接通通道

0011×

0101×

11110

1和52和63和74和8

無(wú)263.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

注意：

AD7501，AD7502，AD7503芯片都是單向多到一的多路開(kāi)關(guān)，即信號(hào)只允許從多個(gè)

(8個(gè))輸入端向一個(gè)輸出端傳送。⑶

CD4051273.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

它允許雙向使用。圖3-9

CD4051芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能283.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

表3.3CD4051真值表

C

B

A

接通通道

000000001

00001111×

00110011×

01010101×

S0S1S2S3S4S5S6S7

無(wú)29⑷

CD40523.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

圖3-10

CD4052芯片結(jié)構(gòu)及引腳功能303.3

多路開(kāi)關(guān)集成芯片

表3.4CD4052真值表

輸入

接通通道

AB

XY

0000010100111××

00

11

22

33

均不通31第3章模擬多路開(kāi)關(guān)3.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

323.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

本節(jié)教學(xué)目標(biāo)能夠進(jìn)行多路開(kāi)關(guān)的電路特性計(jì)算

理解多路開(kāi)關(guān)的電路特性指標(biāo)

了解電路特性指標(biāo)對(duì)使用的影響

333.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

RS為信號(hào)源內(nèi)阻，圖3-11

一個(gè)開(kāi)關(guān)的等效電路RL和CL為負(fù)載的電阻和電容。CI為開(kāi)關(guān)的輸入電容，RON是開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻，ROFF是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電阻，CIO是跨接在開(kāi)關(guān)輸入與輸出端上的電容，CO是輸出電容，~USRSCICIORONROFFCOCLRL343.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

1.

漏電流漏電流—通過(guò)斷開(kāi)的模擬開(kāi)關(guān)的電流，用IS表示。什么是〞漏電流〞

？353.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

在n個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的并聯(lián)組合中，當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，其它n－1個(gè)開(kāi)關(guān)是斷開(kāi)的，未導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的漏電流將通過(guò)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)流經(jīng)信號(hào)源，如圖3-12所示。這樣，將在輸出端形成一個(gè)誤差電壓UOE。圖3-12

漏電流電路363.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

輸出端的誤差電壓：式中

IS—單個(gè)開(kāi)關(guān)的漏電流。舉例：如用兩個(gè)AD7503構(gòu)成16路輸入通道。由表3.5可知，AD7503每個(gè)通道斷開(kāi)時(shí)的漏電流IS=2nA（25℃），其導(dǎo)通內(nèi)阻RON=300Ω，設(shè)RS=1000Ω，則由式(3-1)可以算出漏電流引起的輸出誤差電壓為：UOE=(n_1)IS(RS+RON)37

設(shè)該系統(tǒng)的滿量程輸入電壓為100mV，采用12位A／D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)量化級(jí)是24.4

V，則誤差電壓大于系統(tǒng)的量化單位。如果通道數(shù)增加或信號(hào)源內(nèi)阻很大時(shí)，情況還要嚴(yán)重。改進(jìn)的方法：采用分級(jí)組合電路。3.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

UOE=15×(2×10-9)×(1.3×103)=39×10-6(V)383.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

將3n個(gè)通道分成3

組，再用3個(gè)第二級(jí)的開(kāi)關(guān)接到輸出端。這樣將使流到輸出端的漏電流由(3n－1)

降到(n－1)，差不多減至圖3-13

多路開(kāi)關(guān)的分級(jí)組合393.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

2.

動(dòng)態(tài)響應(yīng)響應(yīng)參數(shù)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間（設(shè)定時(shí)間）開(kāi)關(guān)閉合后系統(tǒng)帶寬圖3-14

多路開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等效電路403.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

⑴設(shè)定時(shí)間

tS

設(shè)

CI<<CT，則化簡(jiǎn)圖3-14，得則【例3.1】設(shè)RON=100Ω，COT=100pF，CL=20pF，

RL=10MΩ，CI=5pF，精度0.1%，求設(shè)定時(shí)間。TC=(RS+RON)×CTtS=TCln____100誤差413.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

解：當(dāng)RS=0時(shí)

當(dāng)

RS=2000Ω時(shí)423.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

從以上計(jì)算可以看到：要想法降低

RS和總輸出電容

COT。⑵等效電路的帶寬RS↓，開(kāi)關(guān)切換速度↑。f3dB=________________2π(RS+RON)CT1433.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

3.

源負(fù)載效應(yīng)誤差源負(fù)載效應(yīng)誤差

—信號(hào)源電阻RS和開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻RON與多路開(kāi)關(guān)所接器件的等效電阻RL分壓而引起的誤差。什么是“源負(fù)載效應(yīng)誤差”

？443.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

計(jì)算源負(fù)載效應(yīng)誤差的等效電路如圖3-15所示。源負(fù)載效應(yīng)誤差=圖3-15

源負(fù)載效應(yīng)的等效電路______________RS+RON+RLRS+RON×100%453.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

由于負(fù)載效應(yīng)是一種分壓作用，使輸出到RL上的信號(hào)減小，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)①提高負(fù)載內(nèi)阻，RL>>RS+RON②根據(jù)負(fù)載效應(yīng)誤差，在下級(jí)提高增益來(lái)補(bǔ)償【例3.2】設(shè)某通道RS=300Ω

，RON=250Ω，

RL=5MΩ，求誤差。463.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

解：負(fù)載效應(yīng)誤差=473.4

多路開(kāi)關(guān)的電路特性

4.串?dāng)_

串?dāng)_—斷開(kāi)通道的信號(hào)電壓耦合到接收通道引起的干擾。什么是〞串?dāng)_〞

？48第3章模擬多路開(kāi)關(guān)3.5

多路開(kāi)關(guān)的配置

49本節(jié)教學(xué)目標(biāo)能夠進(jìn)行傳感器信號(hào)與多路開(kāi)關(guān)的連接

了解多路開(kāi)關(guān)的連接方法