剖析一種高速精密模擬信號傳輸器設(shè)計(jì)

1 引言

在許多電子測量的場合經(jīng)常需要信號傳輸器能快速啟動和切斷信號的傳輸，并且要求傳輸器能精確地傳輸±極性的電信號，如果不考慮傳輸器的開關(guān)響應(yīng)速度等特殊要求，通常人們會首先想到采用電磁繼電器，因?yàn)殡姶爬^電器的觸點(diǎn)導(dǎo)通時的電阻一般在數(shù)mΩ至數(shù)十mΩ范圍內(nèi)，可以精確地傳輸±極性電信號。

但是，電磁繼電器有2個難以克服的缺陷，一是開關(guān)反應(yīng)速度較慢（目前最快的微型電磁繼電器開關(guān)速率只能達(dá)到2－1.5ms）；二是微型電磁繼電器用在有較強(qiáng)振動的場合，其觸點(diǎn)容易產(chǎn)生瞬間誤動作。因此，在需要傳輸器的開關(guān)響應(yīng)速度較快，并在有較強(qiáng)機(jī)械振動的場合工作時，人們會考慮采用電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，電子轉(zhuǎn)換開關(guān)具有開關(guān)響應(yīng)速度快，并在有較強(qiáng)機(jī)械振動的場合能可靠工作。

但不足的是電子轉(zhuǎn)換開關(guān)存在開關(guān)閉合時其導(dǎo)通電阻較大的缺陷，這對于精確傳輸信號是不利的。本文以HC4052雙四選一模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)集成電路為例，實(shí)測了該集成電路的導(dǎo)通電阻，通過對該集成電路外圍電路的設(shè)計(jì)，使整體電路成為良好的高速精密模擬信號傳輸器。

2 HC4052的引腳功能及導(dǎo)通電阻實(shí)測數(shù)據(jù)

HC4052是雙通道四選一模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)集成電路。用0V和5V信號能控制±5V的模擬信號的傳輸，使用±5V雙電源。其引腳功能如圖1所示；其邏輯功能如表1所示。

首先對該集成電路兩個通道，四選一模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)導(dǎo)通時各開關(guān)的壓降進(jìn)行了實(shí)測（測試條件：輸入端電壓為1.00V，輸出端與地之間接1kΩ電阻），并將其折算出各開關(guān)導(dǎo)通時平均的電阻值。結(jié)果如表2所示。

從表2可知，HC4052的導(dǎo)通電阻平均值為41.4Ω，這在傳輸弱信號并且后接電路的輸入阻抗不高的情況下，將會帶來很大的相對誤差。

3 整體電路設(shè)計(jì)

圖2是本文給出的高速精密模擬信號傳輸器的電原理圖。A1是HC4052輸入端加的一級電壓跟隨器，以提高整個電路的輸入阻抗。圖中只表示了由Y0－Y公共開關(guān)傳輸信號的情況。如果HC4052后接電路的輸入阻抗不高，則Y0－Y公共開關(guān)導(dǎo)通電阻將會造成信號幅度的衰減，帶來很大的測量誤差。為了盡可能減小衰減，在該開關(guān)輸入端后面加電壓跟隨器A2，以提高輸入阻抗（一般可達(dá)108Ω），使傳輸?shù)男盘柦^大部分降落在A2輸入端上，經(jīng)用分辨率為0.1mV數(shù)字萬用表實(shí)例，Vi與VO的數(shù)值相等，從而使傳輸信號的精度得到了很好的保證。

但這樣又會產(chǎn)生另一個問題，當(dāng)需要切斷信號傳輸（YO－Y公共開關(guān)截止）時，由于A2輸入端處于懸空態(tài)，其輸出端有不穩(wěn)定電壓出現(xiàn)，這是不希望看到的。為了解決該問題，本文將HC4052的另一開關(guān)（如圖2中的X1－X公共開關(guān)）并聯(lián)在A2輸入端上，并通過HC4052的A邏輯引腳進(jìn)行控制。當(dāng)INH，B，A引腳均為低電位時，Y0－Y公共導(dǎo)通、X1－X公共截止，這時為傳輸信號狀態(tài)，傳輸?shù)男盘柦^大部分降落在A2輸入端上，從而使傳輸信號的精度得到了保證。

當(dāng)INH，B引腳均為低電位、A引腳為高電位時，Y0－Y公共截止、X1－X公共導(dǎo)通，這時為切斷傳輸信號狀態(tài)，A2輸入端通過X1－X公共開關(guān)導(dǎo)通電阻接地，其輸出為0V（電路初始調(diào)試時，A1，A2輸入端通過電阻接地，調(diào)節(jié)10kΩ電位器，使各自輸出為0V，從而補(bǔ)償了輸入失調(diào)電壓），從而封閉了信號的傳輸。

該電路傳輸信號時與封閉信號傳輸時的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。從表3實(shí)測數(shù)據(jù)可知，該電路既能夠精確地傳輸信號，也能夠完全封閉信號的傳輸。用雙通道記憶示波器對電路的開通與切斷的反應(yīng)時間進(jìn)行檢測。輸入信號Vi的幅度為1V。信號傳輸開通時，HC4052的A引腳由高電位跳變到低電位，Vo延遲了400ns后由0V達(dá)到穩(wěn)定值1V。封閉信號傳輸時，HC4052的A引腳由低電位跳變到高電位，Vo在延遲了460ns后由1V達(dá)到穩(wěn)定值0V。

用同樣的方法還測試了HC4052的Y引腳信號對控制信號的反應(yīng)時間，開通與切斷信號傳輸時，Y引腳信號相對控制信號（A引腳高低電位的跳變）分別延遲了230ns和90ns后達(dá)到穩(wěn)定值。由此看出，HC4052的開關(guān)速率與A2的轉(zhuǎn)換速率是影響整體電路開關(guān)反應(yīng)速度的因素。實(shí)測數(shù)據(jù)證明：該電路是一良好的高速精密模擬信號傳輸器。

4 電路的實(shí)際應(yīng)用

該電路已成功運(yùn)用于一種新型汽車側(cè)滑檢驗(yàn)臺模擬信號的傳輸及其控制。該檢驗(yàn)臺的位移傳感器向配套的儀表傳輸?shù)男盘枮?－±1V模擬信號，要求傳輸器傳輸?shù)男盘栒`差不大于1mV，并且要求在控制信號發(fā)出后的0.5ms內(nèi)切斷信號的傳輸。上述設(shè)計(jì)的電路的性能指標(biāo)大大優(yōu)于該檢驗(yàn)臺對信號傳輸器提出的要求，并且該傳輸器工作穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

用本文所述類似的方法，可將該電路容易地?cái)U(kuò)展為單通道二選一高速精密模擬信號傳輸器（利用Y2－Y公共開關(guān)和X3－X公共開關(guān)）。如果再換用高轉(zhuǎn)換速率的運(yùn)放，該傳輸器對控制信號的反應(yīng)速度還可進(jìn)一步提高。由于該傳輸器的性能很優(yōu)良，其應(yīng)用范圍將會非常廣泛。另外，如果采用本文提供的方案，集成電路生產(chǎn)廠家能將本電路（除2個10kΩ電位器外）集成在一塊片子上，則整體電路體積更小，工作更可靠、使用更方便，將會有更廣的應(yīng)用前景。

編輯：jq