第2章多路开关采样AD转换误差计算

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1、都由传感器、模拟信号调理电路、采样电路三部分组成 模拟多路开关模拟多路开关(Analog switches)(Analog switches)也称多路转换也称多路转换器器(Multiplexer)(Multiplexer)，主要用于信号的切换，是输入通道，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、时与放大器、A ADD转换器等接通，利用一片转换器等接通，利用一片A AD D转转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换

2、，提高硬件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。电路的利用率，节省成本。 l分类为机械触点式和集成模拟电子开关为机械触点式和集成模拟电子开关 2.4 模拟多路开关模拟多路开关双极性晶体管开关双极性晶体管开关 场效应晶体管开关场效应晶体管开关 电电子子式式类类型型结型结型绝缘栅型绝缘栅型集成电路开关集成电路开关1. 多路开关工作原理多路开关工作原理双极型晶体管开关双极型晶体管开关 +15V+15VT1T1T8T8.通道选择1通道选择8Ui1UC8UC1Ui8R11R2118R28RUo模拟信号1模拟信号8图图3 3. .2 2 双双极极型型晶晶体体管管开开关关电电

3、路路其工作原理如下：其工作原理如下： 设选择第设选择第1路模拟信号。路模拟信号。 则令通道控制信号则令通道控制信号UC1= 0，晶体管晶体管T1截止，截止，集电极为高电平，晶体管集电极为高电平，晶体管T1导通，输入信号电压导通，输入信号电压Ui1被选中被选中。 同理：同理： 当令通道控制信号当令通道控制信号UC2= 0 时，则选时，则选中第中第2路模拟信号，路模拟信号， UO = Ui2 。 注意：注意： 在控制信号在控制信号UC1 UC8中不能同时有中不能同时有两个或两个以上为两个或两个以上为0。 优点：优点：缺点：缺点：电流控制器件，功耗大，集成度电流控制器件，功耗大，集成度 低，一个方向

4、传送信号。低，一个方向传送信号。漏电流大，开路电阻小，导通电漏电流大，开路电阻小，导通电 阻大。阻大。开关速度快。开关速度快。2. 场效应管开关场效应管开关 结型场效应晶体管开关结型场效应晶体管开关.T1T1T8T8Ui1Ui8UC1UC8通道选择1通道选择8UoR1828R11R21R图图3 3. .3 3 结结型型场场效效应应管管多多路路开开关关工作原理如下：工作原理如下：设选择第设选择第1路信号。路信号。 则令通道控制信号则令通道控制信号UC1=1，则开关控制管则开关控制管T1导通，集电导通，集电极为低电平，场效应管极为低电平，场效应管T1导导通通，UO=Ui1 。 当当UC1 =0时时

5、， T1截止，截止， T1也截止，第也截止，第1路输入信号被路输入信号被切断。切断。优点：优点：缺点：缺点：开关切换速度快，导通电阻小，可开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。两个方向传送信号。 为分立元件，需专门的电平转换电为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。路驱动，使用不方便。+4V+4V-20V-20VT1T1T8T8R11R21R18R28UoUi1UC1Ui8UC8. 其工作原理与结其工作原理与结型场效应管多路开关型场效应管多路开关类似。类似。 绝缘栅场效应管开关绝缘栅场效应管开关优点：优点：缺点：缺点：3. 集成电路开关集成电路开关集成电路开关集成电路开关

6、将多路开关、计数器、将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯译码器制造在一个芯片上。片上。 开关切换速度快，导通电阻小，且开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。动电路集成。衬底要有保护电压。衬底要有保护电压。 12315 16.四-十六线译码器四位计数器T1T2T3T15T16U0Ui3Ui2Ui1Ui15i16U计数23222120.图图3 3. .5 5 集集成成多多路路开开关关工作原理如下：工作原理如下： 设选择第设选择第1路输入信号，路输入信号，则计算机输出一个则计算机输出一个4位二进位二进制码，把计数器置成制码，把计数器置

7、成0001状态，经四状态，经四 十六线十六线译码器后，第译码器后，第1根线输出高根线输出高电平，场效应管电平，场效应管T1导通，导通， UO= Ui1 ，选中第，选中第1路信号。路信号。 如果要连续选通第如果要连续选通第1路到路到第第3路的信号，可以在计数器路的信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加脉冲，计数器加1，状态依次，状态依次变为变为 0001，0010，0011。2.4.1模拟多路开关的性能指标1、通道数量。、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。2、

8、泄漏电流。、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。、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。4、开关速度。、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

9、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。 12345678910111213141516S1S2S3S4D1A1A2D2D3A3D4A4USSUDDGNDNC图图3 3. .6 6 A AD D7 75 51 10 0芯芯片片 芯片中无译码芯片中无

10、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。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） 2 2、八通道单向模拟多路开关、八通道单向模拟多路开关AD7501AD7501AD7501是一种8路输入、一路输出的CMOS集成芯片，导通电阻为170300，漏电流为0.22nA，导通截

11、止时间典型值为0.8s，其内部结构和引脚如图2.25所示 AD7501内部结构和引脚图 表表3.1 AD7501真值表真值表 A2A1A0EN 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 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 电平转换ENA1A0UDD(+15V)12345678910111213141516A1GNDENS8S1S23S5S6S4S7SOUTUDDUSSA