0 引言

　　隨著計(jì)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(duì)多路不同信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸、儲(chǔ)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(jiǎn)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(shí)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(duì)于多路開關(guān)的介紹多是在原理性方面，結(jié)合實(shí)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(shí)際設(shè)計(jì)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

　　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(hào)或者5 V的CMOS邏輯電信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　在對(duì)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(shí)間這2個(gè)主要因素。多路開關(guān)ADG506A的導(dǎo)通電阻RON對(duì)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)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(hào)的幅度等變化而變化，在設(shè)計(jì)中，一般是設(shè)法減小RON來降低其影響。本設(shè)計(jì)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(shí)，RON≈480 Ω，且隨VDD、VSS的變化而突變；當(dāng)供電電壓為±15 V時(shí)，RON≈200 Ω，且隨VDD、VSS的變化相對(duì)緩慢地變化，可見，適當(dāng)提高VDD、VSS的絕對(duì)值有利于降低RON對(duì)系統(tǒng)的影響。

　　當(dāng)選通信道地址進(jìn)行切換時(shí)，多路開關(guān)ADG506A會(huì)有一個(gè)切換延時(shí)時(shí)間tTRANSITION，如圖3所示。而多路開關(guān)的切換延時(shí)時(shí)間tTRANSITION隨供電電壓的變化會(huì)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(shí)時(shí)間tTRANSITION隨供電電壓的升高均明顯地減小，在雙端供電±5 V時(shí)，tTRANSITION≈350 ns；在雙端供電±15 V時(shí)，開關(guān)的切換時(shí)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。

　　綜上兩點(diǎn)因素考慮，設(shè)計(jì)中選用±15 V的電壓對(duì)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(yùn)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(shí)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(gè)切斷時(shí)間tOPEN，即開關(guān)斷開一個(gè)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(shí)短接時(shí)對(duì)外部電路造成的瞬時(shí)短路問題，保護(hù)了外部信號(hào)源和多路開關(guān)自身。

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(shí)分制方式對(duì)每個(gè)信號(hào)進(jìn)行幅值采樣[2]，然后通過變換器對(duì)信號(hào)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(hào)，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(jì)的數(shù)據(jù)自采集系統(tǒng)框圖。

　　測(cè)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(hào)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括10路電壓信號(hào)和6路電流信號(hào)。單片機(jī)的4個(gè)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(shí)，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(hào)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(shí)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(shí)與機(jī)械開關(guān)類似，也會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)過程，會(huì)有一個(gè)瞬變現(xiàn)象，若是在這個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)。本采集系統(tǒng)中在多路信號(hào)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(duì)本采集系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試的過程中，當(dāng)給其中一路“電存+”電壓供28 V電時(shí)，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(shí)“電存-”這一路并沒有供電，應(yīng)為0 V)，如圖7所示。

　　對(duì)“電存-”電路在多路開關(guān)的接入點(diǎn)進(jìn)行了電壓測(cè)試，此時(shí)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(shí)時(shí)間，16通道數(shù)據(jù)采集切換與延時(shí)部分程序如下所示：

　　for(i=0;i<16;i++)

　　{ SET_N1EN();

　　CHANNEL(i);  //AD506切換通道

　　delay_us(1);}

　　多路開關(guān)的切換延時(shí)時(shí)間為微秒級(jí)別的，此時(shí)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(jí)的延時(shí)時(shí)間，部分程序如下所示：

　　delay_ms(1)；

　　void delay_ms(int ms)

　　{for(;ms>0;ms--)

　　delay_us(1000);

　　WDR();}

　　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(hào)通道擴(kuò)展電路

　　當(dāng)系統(tǒng)需要的信號(hào)通道數(shù)更多時(shí)，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(hào)，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(shí)，片Ⅰ被選通，I/O2~I/O5輸出0000～1111可順序選通通道1～16；當(dāng)I/O1輸出低電平時(shí)，片Ⅱ被選通，I/O2~I/O5輸出0000～1111可順序選通通道17～32。

　　當(dāng)電路對(duì)開關(guān)速度要求高時(shí)，可以采取圖10所示的兩級(jí)聯(lián)接方式，在多路開關(guān)與單片機(jī)之間再加入一級(jí)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(shí)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(cè)量精度。

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(shí)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(shí)際中，可采集最多16路的電壓、電流信號(hào)，測(cè)量精度滿足1%。本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期效果且通用性、擴(kuò)展性良好。

參考文獻(xiàn)

　　[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(cè)故障分析與驗(yàn)證[J].理論與方法，2013，32（2）：13-16.