多路模拟开关在数据采集系统中的应用与分析

葛 立，李 骥，高 枫，李 帆

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100076）

0 引言

随着计算机、单片机技术的不断发展与完善，智能数据自采集系统广泛应用于各大重要技术领域，在数据自采集系统中，常常是对多路不同信号进行采集、传输、储存与处理。市面上也有很多种类不同的多通道数据采集卡，这些数据采集卡和系统中大多使用了集成多路模拟开关。集成多路模拟开关（以下简称多路开关）是智能数据自采集系统中的常用器件，其可靠性、电气特性以及实际使用性能的优劣直接影响采集系统的可靠性与精确度，而目前对于多路开关的介绍多是在原理性方面，结合实际电路操作与分析的则比较少。文中从应用的角度出发，结合实际设计电路，给出了使用多路开关进行数据采集调试过程中遇到的具体问题和解决办法。

1 ADG506A电气特性

图1 ADG506A结构框图

ADG506A是ADI公司的一种通用多路16选1模拟开关，工作电压范围为 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路的输入（S1～S16）选通 1路切送到输出端（D），输入端可接收TTL信号或者5 V的CMOS逻辑电信号，其结构框图如图1所示。

在对多路开关使用中供电电压的选择上，应综合考虑系统的供电条件与多路开关自身的电气特性，本文主要考虑了其导通电阻、切换延迟时间这2个主要因素。多路开关ADG506A的导通电阻RON对自动数据采集的信号传输精度影响较明显，而且RON通常随电源电压高低、传输信号的幅度等变化而变化，在设计中，一般是设法减小RON来降低其影响。本设计中使用的ADG506A的导通电阻RON随供电电压变化曲线如图2所示，在供电电压为±5 V时，RON≈480Ω，且随 VDD、VSS的变化而突变；当供电电压为±15 V时，RON≈200Ω， 且随 VDD、VSS的变化相对缓慢地变化，可见，适当提高VDD、VSS的绝对值有利于降低RON对系统的影响。

图2 导通电阻R ON随供电电压变化曲线

当选通信道地址进行切换时，多路开关ADG506A会有一个切换延时时间tTRANSITION，如图3所示。而多路开关的切换延时时间tTRANSITION随供电电压的变化会发生变化，变化曲线如图4所示。从图4可以看出，无论采取单端或双端供电方式，切换延时时间tTRANSITION随供电电压的升高均明显地减小，在双端供电±5 V时，tTRANSITION≈350 ns；在双端供电±15 V时，开关的切换时间 tTRANSITION≈180 ns，可见，为了提高开关的切换速度，可以适当提高其供电电压。

图3 地址切换延迟时间t TRANSITION

综上两点因素考虑，设计中选用±15 V的电压对ADG506A进行供电。

2 “先断后通”（Break-Before-Make）模式

多路开关通常有“先断后通”和“先通后断”的通断切换方式。在程控增益放大器中，若用多路开关来改变集成运放的反馈电阻，以改变放大器的增益，宜采用“先通后断”的通断切换方式[1]；在数据自采集系统中，多推荐采取如ADG506A芯片选用的“先断后通”（Break-Before-Make）方式进行切换。从图5所示的Break-Before-Make切断时间tOPEN示意图中可以看出，在地址切换前，多路开关产生一个切断时间tOPEN，即开关断开一个tOPEN后再接通。这种方式可以有效地避免输入电压两通道之间的瞬时短接时对外部电路造成的瞬时短路问题，保护了外部信号源和多路开关自身。

图4 切换延迟时间t TRANSITION随供电电压变化曲线

图5 “先断后通”切断时间t OPEN示意

3 工作原理与接口电路

本文的多路模拟量数据信息在自采集系统中根据信息采用定理，按时分制方式对每个信号进行幅值采样[2]，然后通过变换器对信号进行电平匹配变化之后进入多路开关，多路开关输出一组离散脉冲幅度变化的信号，再通过A/D采样后输出二进制数字量。图6是本文设计的数据自采集系统框图。

图6 数据自采集系统框图

测量传感器将采集到的多样化模拟数据经过自带变换器把信号进行处理后接入变换开关(若需要接入不带变换器的传感器进行数据采集，可在传感器后端接入变换器之后再连入变换开关)，本文采集到的实时数据包括10路电压信号和6路电流信号。单片机的4个I/O口PE2～PE5直接与 AD506A的A0～A3相连接，当单片机的I/O口PE6输出到交换开关使能端EN为1并且I/O口PE2～PE5输出0000～1111时，顺序选通传感器输入的模拟数据S1～S16进入A/D转换器LTC1605中进行模数转换，转换后的数字量信号从D0～D15输出进入单片机I/O口 PC0～PC7、PD0～PD7。最后经单片机处理后，可由显示电路显示在液晶屏上，或同时与上位机进行数据通信。

4 故障模式与分析解决

多路开关在切换通道时与机械开关类似，也会出现抖动过程，会有一个瞬变现象，若是在这个瞬变的瞬间正好处于A/D采样的过程，那么采集系统中就可能引入一个误差，从而导致系统误采。消除误差常用的方法在硬件上用RC滤波来实现。本采集系统中在多路信号的后端加入了RC滤波电路经滤波后接入多路开关。但在对本采集系统进行功能测试的过程中，当给其中一路“电存+”电压供28 V电时，系统除了采集到其正确电压值外，在其下一路“电存-”电路中，出现了0.2 V的干扰电压(此时“电存-”这一路并没有供电，应为0 V)，如图 7所示。

图7 引入误差故障模式显示结果

对“电存-”电路在多路开关的接入点进行了电压测试，此时也并没有电压进入多路开关，考虑多路开关瞬变产生的误采。查看软件中多路开关切换延时时间，16通道数据采集切换与延时部分程序如下所示：

多路开关的切换延时时间为微秒级别的，此时切换前的电容电压没有得到完全释放，有引入误差的可能。随后采用了毫秒级的延时时间，部分程序如下所示：

重新下载程序后，系统误采消失，如图 8所示，可见采集结果正常，问题得以解决。

5 信号通道扩展电路

图8 正常采集显示结果

当系统需要的信号通道数更多时，可以采用图9所示方式，由单片机控制32路巡检通道电路。电路由两片ADG506A转换开关芯片Ⅰ和Ⅱ分别控制1～16、17～32通道信号，Ⅰ和Ⅱ的EN使能引脚间加一反向器后与单片机的I/O1控制引脚相连。当 I/O1输出高电平时，片Ⅰ被选通，I/O2～I/O5输出0000～1111可顺序选通通道1～16；当 I/O1输出低电平时，片Ⅱ被选通，I/O2～I/O5输出 0000～1111可顺序选通通道 17～32。

图9 扩展32路数据采集通用电路

当电路对开关速度要求高时，可以采取图10所示的两级联接方式，在多路开关与单片机之间再加入一级开关，这样的联接方式可以有效地降低多路开关的输出总电容，使得电路的时间常数减少以提高开关的速度。此外，这种连接方式还可以使多路开关的总关断漏电流减小，减小关断漏电流给电路造成的误差引入，提高测量精度。

图10 两级联接方式

6 结束语

本文介绍了在数据自采集系统中使用模拟多路开关ADG506A，并给出了硬件接口电路和扩张电路以及实现中应注意的问题和软件解决出现故障的方法。使用多路开关ADG506A与ATmega128L单片机作为核心的数据采集系统已经成功应用到了科研生产实际中，可采集最多16路的电压、电流信号，测量精度满足1%。本设计达到了预期效果且通用性、扩展性良好。

[1]周胜海.集成多路模拟开关的应用技巧[J].电子技术应用，2002，28（4）：79-80.

[2]王烁，郑鹏，吴雨翔，等.基于多路开关的遥测故障分析与验证[J].理论与方法，2013，32（2）：13-16.