葛 立，李 驥，高 楓，李 帆

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

0 引言

隨著計算機(jī)、單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，智能數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各大重要技術(shù)領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)中，常常是對多路不同信號進(jìn)行采集、傳輸、儲存與處理。市面上也有很多種類不同的多通道數(shù)據(jù)采集卡，這些數(shù)據(jù)采集卡和系統(tǒng)中大多使用了集成多路模擬開關(guān)。集成多路模擬開關(guān)（以下簡稱多路開關(guān)）是智能數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)中的常用器件，其可靠性、電氣特性以及實際使用性能的優(yōu)劣直接影響采集系統(tǒng)的可靠性與精確度，而目前對于多路開關(guān)的介紹多是在原理性方面，結(jié)合實際電路操作與分析的則比較少。文中從應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合實際設(shè)計電路，給出了使用多路開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集調(diào)試過程中遇到的具體問題和解決辦法。

1 ADG506A電氣特性

圖1 ADG506A結(jié)構(gòu)框圖

ADG506A是ADI公司的一種通用多路16選1模擬開關(guān)，工作電壓范圍為 10.8～16.5 V，在使能端（EN）和 4位地址端（A0～A3）的共同作用下，ADG506A把 16路的輸入（S1～S16）選通 1路切送到輸出端（D），輸入端可接收TTL信號或者5 V的CMOS邏輯電信號，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在對多路開關(guān)使用中供電電壓的選擇上，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的供電條件與多路開關(guān)自身的電氣特性，本文主要考慮了其導(dǎo)通電阻、切換延遲時間這2個主要因素。多路開關(guān)ADG506A的導(dǎo)通電阻RON對自動數(shù)據(jù)采集的信號傳輸精度影響較明顯，而且RON通常隨電源電壓高低、傳輸信號的幅度等變化而變化，在設(shè)計中，一般是設(shè)法減小RON來降低其影響。本設(shè)計中使用的ADG506A的導(dǎo)通電阻RON隨供電電壓變化曲線如圖2所示，在供電電壓為±5 V時，RON≈480Ω，且隨 VDD、VSS的變化而突變；當(dāng)供電電壓為±15 V時，RON≈200Ω， 且隨 VDD、VSS的變化相對緩慢地變化，可見，適當(dāng)提高VDD、VSS的絕對值有利于降低RON對系統(tǒng)的影響。

圖2 導(dǎo)通電阻R ON隨供電電壓變化曲線

當(dāng)選通信道地址進(jìn)行切換時，多路開關(guān)ADG506A會有一個切換延時時間tTRANSITION，如圖3所示。而多路開關(guān)的切換延時時間tTRANSITION隨供電電壓的變化會發(fā)生變化，變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，無論采取單端或雙端供電方式，切換延時時間tTRANSITION隨供電電壓的升高均明顯地減小，在雙端供電±5 V時，tTRANSITION≈350 ns；在雙端供電±15 V時，開關(guān)的切換時間 tTRANSITION≈180 ns，可見，為了提高開關(guān)的切換速度，可以適當(dāng)提高其供電電壓。

圖3 地址切換延遲時間t TRANSITION

綜上兩點因素考慮，設(shè)計中選用±15 V的電壓對ADG506A進(jìn)行供電。

2 “先斷后通”（Break-Before-Make）模式

多路開關(guān)通常有“先斷后通”和“先通后斷”的通斷切換方式。在程控增益放大器中，若用多路開關(guān)來改變集成運放的反饋電阻，以改變放大器的增益，宜采用“先通后斷”的通斷切換方式[1]；在數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)中，多推薦采取如ADG506A芯片選用的“先斷后通”（Break-Before-Make）方式進(jìn)行切換。從圖5所示的Break-Before-Make切斷時間tOPEN示意圖中可以看出，在地址切換前，多路開關(guān)產(chǎn)生一個切斷時間tOPEN，即開關(guān)斷開一個tOPEN后再接通。這種方式可以有效地避免輸入電壓兩通道之間的瞬時短接時對外部電路造成的瞬時短路問題，保護(hù)了外部信號源和多路開關(guān)自身。

圖4 切換延遲時間t TRANSITION隨供電電壓變化曲線

圖5 “先斷后通”切斷時間t OPEN示意

3 工作原理與接口電路

本文的多路模擬量數(shù)據(jù)信息在自采集系統(tǒng)中根據(jù)信息采用定理，按時分制方式對每個信號進(jìn)行幅值采樣[2]，然后通過變換器對信號進(jìn)行電平匹配變化之后進(jìn)入多路開關(guān)，多路開關(guān)輸出一組離散脈沖幅度變化的信號，再通過A/D采樣后輸出二進(jìn)制數(shù)字量。圖6是本文設(shè)計的數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)框圖。

圖6 數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)框圖

測量傳感器將采集到的多樣化模擬數(shù)據(jù)經(jīng)過自帶變換器把信號進(jìn)行處理后接入變換開關(guān)(若需要接入不帶變換器的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可在傳感器后端接入變換器之后再連入變換開關(guān))，本文采集到的實時數(shù)據(jù)包括10路電壓信號和6路電流信號。單片機(jī)的4個I/O口PE2～PE5直接與 AD506A的A0～A3相連接，當(dāng)單片機(jī)的I/O口PE6輸出到交換開關(guān)使能端EN為1并且I/O口PE2～PE5輸出0000～1111時，順序選通傳感器輸入的模擬數(shù)據(jù)S1～S16進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器LTC1605中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號從D0～D15輸出進(jìn)入單片機(jī)I/O口 PC0～PC7、PD0～PD7。最后經(jīng)單片機(jī)處理后，可由顯示電路顯示在液晶屏上，或同時與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4 故障模式與分析解決

多路開關(guān)在切換通道時與機(jī)械開關(guān)類似，也會出現(xiàn)抖動過程，會有一個瞬變現(xiàn)象，若是在這個瞬變的瞬間正好處于A/D采樣的過程，那么采集系統(tǒng)中就可能引入一個誤差，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤采。消除誤差常用的方法在硬件上用RC濾波來實現(xiàn)。本采集系統(tǒng)中在多路信號的后端加入了RC濾波電路經(jīng)濾波后接入多路開關(guān)。但在對本采集系統(tǒng)進(jìn)行功能測試的過程中，當(dāng)給其中一路“電存+”電壓供28 V電時，系統(tǒng)除了采集到其正確電壓值外，在其下一路“電存-”電路中，出現(xiàn)了0.2 V的干擾電壓(此時“電存-”這一路并沒有供電，應(yīng)為0 V)，如圖 7所示。

圖7 引入誤差故障模式顯示結(jié)果

對“電存-”電路在多路開關(guān)的接入點進(jìn)行了電壓測試，此時也并沒有電壓進(jìn)入多路開關(guān)，考慮多路開關(guān)瞬變產(chǎn)生的誤采。查看軟件中多路開關(guān)切換延時時間，16通道數(shù)據(jù)采集切換與延時部分程序如下所示：

多路開關(guān)的切換延時時間為微秒級別的，此時切換前的電容電壓沒有得到完全釋放，有引入誤差的可能。隨后采用了毫秒級的延時時間，部分程序如下所示：

重新下載程序后，系統(tǒng)誤采消失，如圖 8所示，可見采集結(jié)果正常，問題得以解決。

5 信號通道擴(kuò)展電路

圖8 正常采集顯示結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)需要的信號通道數(shù)更多時，可以采用圖9所示方式，由單片機(jī)控制32路巡檢通道電路。電路由兩片ADG506A轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片Ⅰ和Ⅱ分別控制1～16、17～32通道信號，Ⅰ和Ⅱ的EN使能引腳間加一反向器后與單片機(jī)的I/O1控制引腳相連。當(dāng) I/O1輸出高電平時，片Ⅰ被選通，I/O2～I(xiàn)/O5輸出0000～1111可順序選通通道1～16；當(dāng) I/O1輸出低電平時，片Ⅱ被選通，I/O2～I(xiàn)/O5輸出 0000～1111可順序選通通道 17～32。

圖9 擴(kuò)展32路數(shù)據(jù)采集通用電路

當(dāng)電路對開關(guān)速度要求高時，可以采取圖10所示的兩級聯(lián)接方式，在多路開關(guān)與單片機(jī)之間再加入一級開關(guān)，這樣的聯(lián)接方式可以有效地降低多路開關(guān)的輸出總電容，使得電路的時間常數(shù)減少以提高開關(guān)的速度。此外，這種連接方式還可以使多路開關(guān)的總關(guān)斷漏電流減小，減小關(guān)斷漏電流給電路造成的誤差引入，提高測量精度。

圖10 兩級聯(lián)接方式

6 結(jié)束語

本文介紹了在數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)中使用模擬多路開關(guān)ADG506A，并給出了硬件接口電路和擴(kuò)張電路以及實現(xiàn)中應(yīng)注意的問題和軟件解決出現(xiàn)故障的方法。使用多路開關(guān)ADG506A與ATmega128L單片機(jī)作為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用到了科研生產(chǎn)實際中，可采集最多16路的電壓、電流信號，測量精度滿足1%。本設(shè)計達(dá)到了預(yù)期效果且通用性、擴(kuò)展性良好。

[1]周勝海.集成多路模擬開關(guān)的應(yīng)用技巧[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28（4）：79-80.

[2]王爍，鄭鵬，吳雨翔，等.基于多路開關(guān)的遙測故障分析與驗證[J].理論與方法，2013，32（2）：13-16.