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多路转换

2018-1-10 11:19:15 2502 多路转换

0 １．信号的通道切换为了满足基于计算机的检测和自动化的普遍要求，我们需要各种不同类型和规格的开关。而为了满足测试系统的要求，还要选择最合适的开关线路接法。所以了解不同开关的类型很重要，因为不同的开关的功能特性和模块布局技术都有所不同。（１）功能特性和分类。常用的开关类型有三种，如图５．３６所示。１）是单刀单掷开关（ＳＰＳＴ）。单刀指的是这种开关只有一路控制线。单掷指的是该开关只能投向一个方向进行线路连接。单刀单掷开关通常用来形成一个闭路，使用单刀单掷开关最常见的例子就是用这种开关来对家庭里电灯的开关情况进行控制。２）单刀双掷开关（ＳＰＤＴ）。一个单刀双掷开关由一根控制线（单刀）和两个开关位置（双掷）组成。单刀双掷开关通常有两种位置：一路是常闭（ＮＣ）位置，另一路是常开（ＮＯ）位置。单刀双掷开关可以传送或选择两个信号，比如在电池电源和主要线路电源之间进行切换。３）双刀双掷开关（ＤＰＤＴ）。对于双刀双掷开关来说，其连接和移动时两个电极始终一起动作，两个电极始终处于同一状态位置。双刀双掷开关本质上是由始终同时进行操作的两个单刀双掷开关组成的。（２）功能拓扑。１）通用型（ＧＰ）。开关由多个并联的彼此间独立的绝缘继电器组成。通用型开关可以实现输入输出间的一对一连接。它们通常被用来对诸如电机、风扇、加热器和灯泡之类的设备进行开关控制。通用型开关可以对高电压或高电流信号进行开关控制。２）多路转换器。一般用来连接一个仪器和多个被测单元（或多个仪器和一个被测单元）。参见图５．３７所示。多路转换器通常被用来连接一个ＤＭＭ或数字转换器和多个测量点或连接一个信号源和多个需要激励的端点。３）矩阵式开关。这是功能最多的一种开关系统。任何输入输出之间，不管是单独的还是组合的，都可以进行连接。参见图５．３８所示。我们可以把仪器和电源连接到被测单元的任何一个测试端点上。矩阵式开关的最大优势在于简化布线技术。总体的测试系统不需要任何的外部人工干预，就能方便地动态改变内部连接路径。３）矩阵式开关。这是功能最多的一种开关系统。任何输入输出之间，不管是单独的还是组合的，都可以进行连接。参见图５．３８所示。我们可以把仪器和电源连接到被测单元的任何一个测试端点上。矩阵式开关的最大优势在于简化布线技术。总体的测试系统不需要任何的外部人工干预，就能方便地动态改变内部连接路径。２．电子开关最常见的两种电子开关是机械式继电器和固态开关。机械式继电器也称为机电式继电器，其特征是有微小的静电干扰声。机械式继电器经常用于高电源的应用场合，还可以用于低电阻或电压测量。对于要求开关延迟很小或开关概率寿命较长的应用来说，固态开关则是不错的选择。有两种固态开关 ——— 固态继电器和ＦＥＴ开关。固态继电器使驱动电路和继电器之间相互绝缘，因此可以对高电压进行开关控制。然而，这种绝缘却限制了固态开关的转换速度。另外，ＦＥＴ开关则不能提供绝缘，因此只能局限于低电压的信号，但它们却可以使传送转换速度保持在毫秒级的范围内。（１）ＲＦ参数。当传送高频信号（大于１０ＭＨｚ）时，将无线电频率（ＲＦ）参数考虑在内是非常重要的，比如说特征阻抗，导入损耗，ＶＳＷＲ干扰和隔耦情况等。这些跟频率有关的参数描述了通过开关系统时ＲＦ信号的质量。（２）特征阻抗。开关的特征阻抗（Ｚｏ）应与信号源和负载的阻抗相匹配。匹配理想的开关对系统来说应该是透明的并且信号可以完整地从信号源传送到负载。如果阻抗不匹配，则意味着信号的一部分将从开关反射回信号源。我们不期望出现这种信号反射现象，因为（这种情况下）只有部分信号才能到达负载端，并且大的信号反射可能损坏一些ＲＦ信号源。ＲＦ器件通常价格都相当高，并且匹配不合适这种失误的代价将会很昂贵。（３）导入损耗。在实际情况中，信号在通过开关时会以热量的形式损耗掉部分能量。导入损耗是用来描述开关对信号“透明”程度的一个量，用分贝（ｄＢ）表示。导入损耗＝－２０ｌｇ（Ｕｏｕｔ／Ｕｉｎ）（ｄＢ）这里Ｕｉｎ是输入电压，Ｕｏｕｔ代表输出电压。理想开关的导入损耗应为零（＋０ｄＢ），在损耗为＋３ｄＢ的情况下，输出信号电压为输入电压的７０．７％，而在通过开关时则损耗了５０％的能量。（４）干扰和隔耦。干扰表明了一个信道上的信号对其他信道上信号的影响程度。隔耦则表明了开关对不相连的信道之间的干扰的抑制能力。干扰用传送的分贝数（大于０ｄＢ）来描述，而隔耦则用抑制的分贝数（小于０ｄＢ）来描述。减小干扰（通过增加隔耦）是非常重要的，因为如果一个信号与临近的信道上动态信号掺杂在一起的话，要精确地测量出此信号便将十分困难。如果两个信道之间的隔耦为６０ｄＢ的话，那么每个信道上信号电压的０．１％将会出现在另一个信道上。３．模拟多路开关信号的通道切换主要靠多路开关来实现，多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其他路断开，从而达到信号切换的目的。在多路开关选择时，常要考虑下列参数：（１）通道数量。通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度具有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其他模拟开关尽管断开，但只是处于高阻状态，仍存在漏电流对导通的那一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。（２）泄漏电流。如果信号源内阻很大，传输的是个电流量，此时就更要考虑多路开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。（３）切换速度。对于需传输快速变化信号的场合，就要求多路开关的切换速度高，当然也要考虑后一段采保和Ａ／Ｄ的速度，从而以最优的性能价格比来换取多路开关的切换速度。（４）开关电阻。理想状态的多路开关其导通的电阻为零，而断开电阻为无穷大，而实际的模拟开关无法达到这个要求，因此需考虑其开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。另外，多路开关参数的漂移特性及每路电阻的一致性也须考虑。模拟多路开关是指在一个单片上包含多路开关的集成开关。随着半导体技术的发展，目前已研制出各种类型的模拟开关，其中采用ＣＭＯＳ工艺的模拟多路开关应用最为广泛。尽管各种模拟开关种类很多，其功能基本相同，只是在通道数、开关电阻、漏电流、输入电压及方向切换等性能参数有所不同。一般来讲，ＣＭＯＳ模拟开关的导通电阻，切换速度与电源电压有关，在允许范围内，电源电压越高，其导通电阻越小，切换速度也越快，但相应的控制电平也应提高，而这又可能对控制产生不便，如当要求电压大于ＴＴＬ电平时，就会给电路的设计带来一些不便。因此，在设计时，可参考不同电源电压下的电阻情况（如ＣＤ４０５１，在ＶＤＤ－ＶＥＥ＝５Ｖ时，ＲＯＮ＝２７０Ω；而当ＶＤＤ－ＶＥＥ＝１０Ｖ时，ＲＯＮ＝１２０Ω），再选择适当的电源电压。由于模拟开关在接通时，有一定的导通电阻，在某种情况下，可能会对信号的传递精度带来较大的影响。作为一种补救一般应尽可能使负载阻抗大一些，必要时可在负载前加缓冲器。另外，为了防止两个通道在切换瞬时同时导通情况（多选开关），往往在某一通道断开到后一通道闭合之间加一延时，当然，这会影响到模拟开关的切换速度。模拟多路开关主要有五种：４选１、８选１、双４选１、双８选１和１６选１，它们之间除通道和外部管脚排列有些不同，其电路结构、电源组成及工作原理基本相同。下面以四双向模拟开关ＣＤ４０６６为例，分析一下多路模拟开关的工作原理。图５．３９为ＣＤ４０６６的外引线图，这是一种多路模拟开关，其中每一路都互相独立，因此只要分析其中一路即可。图５．４０为其简化原理图。当ＶＣ１为低电平时，Ｄ１导通而Ｄ２，Ｄ３截止，此时反相控制电平为高电平，Ｄ４截止，开关属于断开状态；当Ｖ′Ｃ１为高电平，Ｄ３，Ｄ４导通，因此开关处于接通状态。由于其场效应管漏源对称，因此是个双向开关。由其内部结构可知，ＣＤ４０６６的控制电压应满足ＶＳＳ ≤Ｖｉ ≤ＶＤＤ否则会导致片子损坏。在传输交流信号时，应采用双电源供电，一般情况也可用单电源供电。ＣＤ４０６６的导通电阻Ｒｏｎ ≤５００Ω，截止电阻Ｒｏｆｆ ≥５０ＭΩ，每路间偏差小于５０Ω。在使用ＣＤ４０６６或其他同类工艺制作的器件时要注意的是，当只使用其中部分开关时，必须把其余不用的开关的控制端接到ＶＤＤ或ＶＳＳ，否则在悬空状态下有可能受高压静电感应而击穿，导致永久性损坏。在多路开关的选用时，常要考虑许多因素，如需要多少路？要单端型还是差动型的？开关电阻多大？控制电平多高？另外还要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。１）对于传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路模拟开关，这时必须在电路中有严格的抗干扰措施，一般情况下可选用常用的高压型２）对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，如利用铂电阻测量缓变温度场，就可选用机械触点式开关，在输入通道较多的场合，应考虑其体积问题。３）在切换速度要求高，路数多的情况下，宜选用多路模拟开关；在选用时尽可能根据通道量选取单片即能完成的模拟开关，因为这种情况下每路特性参数可基本一致；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性一致。４）在多路模拟开关的速度选择时，要考虑到其后级采样保持电路和Ａ／Ｄ的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速。在使用高精度和Ａ／Ｄ进行精密数据采集和测量时，须考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需要注意模拟开关漂移特性，因为如果性能稳定，即使开关导通电阻较大，也可采取补偿措施来消除影响。但如果阻值和漏电流等漂移很大，将会大大影响测量精度。购线网gooxian.com 专业定制各类测试线（同轴线、香蕉头测试线，低噪线等） 0
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