CMOS 模拟开关在自整角机信号处理中的应用

2015-03-12朱红永李继东

微特电机 2015年1期

朱红永，李继东

(海军蚌埠士官学校，蚌埠233012)

0 引言

集成CMOS 模拟开关是一种能使信号通过或阻断的电子器件，常用于电子设备中作模拟信号或数字信号的传输和控制。但由于其工作电压范围有限，一般只能用于幅值不太高的信号传输和控制。如常见的集成模拟开关CD4016、CD4066、CD4051、CD4067 和CD4097 的工作电压仅在18 V 以内;AD7510 系列、MAX466 等工作电压最高也只在50 V以内。要用它们直接传输和切换幅值高达128 V 的自整角机信号，显然是不可能的。但若能设法实现这一目的，将使伺服系统的架位信号反馈电路大为简化，设备成本显著降低。尤其是CD4066 性能稳定，集成度高(内置四个模拟开关)，价格低廉，若用其结合分时复用技术，省去一部分价格高达数千元一块的自整角机/旋转变压器——数字转换器，极具诱惑力，本文在此介绍该技术的研究心得和技术实现过程。

1 简约化设计的提出

在精密的控制伺服系统中，主要采用自整角机/旋转变压器——数字转换器将角度位移量转化成为数字量。如12ZSZ 就是常用的模数转换模块之一，该模块能够跟踪自整角机轴角的变化，将三相自整角机信号转换成与TTL 电平兼容的并行二进制码。

由于随动系统的方位和高低架位信号各分粗、精两路传送，因而架位信号反馈电路需要四个这样的模数转换模块一一对应转换，如图1 所示。

图1 方位和高低架位信号的模数转换电路

由于自整角机/旋转变压器——数字转换器一直价格不菲，且占用电路版面较大，采用分时复用技术将电路中四个模块减为一个是简约化设计的目标。

2 分时复用的可行性分析

众所周知，分时复用是信息处理中最为常用的技术手段。在高低和方位架位信号的采集处理电路中，处理器对四路模数转换电路的数字量就是采用分时提取的。因而我们也可以采用分时复用的方法，用一个自整角机/旋转变压器——数字转换器分时转换高低和方位这四路架位信息。只是这四路架位信息的分时转换需要采用CMOS 模拟开关来切换，电路如图2 所示。图2 只给出了一路三相自整角机信号经模拟开关接入模数转换器的情况，其余三路未画出，共有12 根信号线，分四组经CMOS 模拟开关切换。

图2 模数转换信号的切换控制

从图2 中可以看出，当模拟开关处于关断时，模拟开关直接承受自整角机的线电压信号以及关断瞬间的反电动势。以36ZLF004 型自整角机为例，其线电压幅值高达127.3 V，加之换路瞬间的反电动势，这就必须考虑模拟开关的工作电压范围和功耗问题。否则，模拟开关将无法工作并损坏。现有的集成CMOS 模拟开关器件无法在这样高的电压下正常工作，若改用继电器、干簧管等开关器件，虽然能满足切换幅值的要求，但其体积大，切换速度低，并且可靠性差，显然不能采用。综合考虑，架位信号的传输和切换采用集成CMOS 模拟开关最为合适，只是要设法使加在模拟开关上的架位信号的幅值小于模拟开关的最高工作电压。为了实现这一点，可以在模拟开关处于导通时，利用分压电阻降压;而在模拟开关处于关断时，利用限幅电路降压，但必须保证限幅电路对架位信号的传输和模数转换精度不产生任何影响。否则，自整角机/旋转变压器——数字转换器的分时复用将无意义。

3 信号分压和限幅电路的设计

如果采用的模拟开关器件是高性价比的CD4066，其工作电压范围的典型值是3 ～18 V。这样一来，图2 中任一模拟开关所传输的信号的幅值不得大于18 V。考虑到连接到自整角机三根相线上的模拟开关不可能做到理想的同步接通或关断，因而加到模拟开关上的线电压幅值U23(或U39，U92)不得大于18 V。为了能做到这一点，我们应尽可能地采用采样电压只有7 V(线线电压的有效值)的自整角机/旋转变压器——数字转换器模块，如12ZSZ14AB 等。同时，由于输入的线电压较低，当模拟开关换路时的反电动势的影响不至于对转换模块和模拟开关构成威胁。降低输入信号线电压的方法如图3 所示。

图中，R1，R2，R3为降压比例电阻，自整角机-数字转换器外加比例电阻的计算方法如下(以12ZSZ 系列为例):信号每增加1 V，分别在三根相线S1、S2和S3上串连1.11 kΩ 的电阻，当取样电压有效值为7 V 的自整角机——数字转换器与线电压有效值为90 V 的自整角机传感器相连时，在每个相线上需要串联的电阻阻值:(90 -7)×1.11 kΩ= 92.13 kΩ。

图3 采用比例电阻降压的方法

从图3 可以看出，当模拟开关处于闭合时，由于比例电阻的分压作用，加在模拟开关上的线线电压不会超过其正常的工作电压范围，模拟开关能够安全工作。但当模拟开关处于关断时，比例电阻的分压几乎为零，90 V 的线线电压几乎全部加在了两个模拟开关之间，大大超过了其安全工作电压范围。所以，还必须设法在模拟开关处于关断时，利用限幅电路将线线电压限制在安全电压以内。并且注意所设计的限幅电路，当模拟开关闭合，自整角机/旋转变压器——数字转换器处于模数转换时，不应对信号的传输有分流作用。而当模拟开关关断，自整角机/旋转变压器——数字转换器停止模数转换时，限幅电路应将信号的幅值限制在模拟开关允许的工作电压范围内。本着这一原则，限幅电路的设计如图4 所示。

图4 采用瞬态抑制二极管限幅的方法

图4 中的D1，D2，D3 为双向瞬态抑制二极管，它是一种过压保护器件，对电路中瞬间出现的过电压起到分流、箝位作用。其双向击穿电压对称性好、响应速度快，适合在各种环境中使用。瞬态抑制二极管是利用齐纳击穿稳压特性工作的，每个PN 结都有自己的反向击穿电压。当所加电压小于反向击穿电压时，几乎没有电流流过，一旦所加电压高于反向击穿电压时，PN 结将很快进入击穿区，并允许瞬间大电流通过，同时将端电压限制在反向击穿电压附近。因而，当模拟开关闭合时，由于比例电阻的分压作用，双向瞬态抑制二极管的端电压远小于其反向击穿电压，双向瞬态抑制二极管处于截止状态，对自整角机信号的传输没有任何影响，可视为不存在。而当模拟开关关断时，一旦加在双向瞬态抑制二极管上的线线电压超过其反向击穿电压，双向瞬态抑制二极管便击穿导通，并将电压箝位在设计的电压范围内，保证了模拟开关的安全。

通过以上分析和电路设计，笔者综合应用常用电子器件，实现了将集成CMOS 模拟开关用于高电压自整角机信号的传输和切换，使精密控制伺服系统中的架位信号反馈电路得以简化。

4 电路设计时应注意的问题

4.1 模拟开关的开关特性

理想的模拟开关在接通时其导通电阻应为零，使通过它的信号不产生任何损失;在断开时阻值应为无穷大，以期完全阻断信号，而不产生任何泄漏，但实际的模拟开关很难做到这一点。因而，本电路的设计要在每根相线上串联两个模拟开关，如图5所示，以达到在关断时完全阻断信号的目的。

图5 提高转换电路隔离度的方法

其次，模拟开关导通时是有一定内阻的，电路设计时不能将其忽略，否则将产生较大的转换误差。

4.2 模拟开关的信号传输特性

使用集成CMOS 模拟开关时应注意它属电压控制型器件，被传输的信号也应是电压信号。当被传送的信号是交流信号时，有两种情况要区别对待。一是若采用单电源工作，则应在开关的输入端加分压式偏置电阻，将输入信号偏置在VDD/2 电平上;二是采用正、负电源供电，开关的输入端不加分压式偏置电阻。本电路的设计不能使用前者，只能使用正、负电源供电，以保证信号传输的线性度和正确的比例关系。并且，所传输信号的峰峰值不得超过VSS～VDD范围。