一種高速精密模擬信號傳輸器設計

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響應速度等特殊要求，通常人們會首先想到采用電磁繼電器，因為電磁繼電器的觸點導通時的電阻一般在數(shù)mΩ至數(shù)十mΩ范圍內，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，一是開關反應速度較慢(目前最快的微型電磁繼電器開關速率只能達到2-1.5ms);二是微型電磁繼電器用在有較強振動的場合，其觸點容易產(chǎn)生瞬間誤動作。因此，在需要傳輸器的開關響應速度較快，并在有較強機械振動的場合工作時，人們會考慮采用電子轉換開關，電子轉換開關具有開關響應速度快，并在有較強機械振動的場合能可靠工作。但不足的是電子轉換開關存在開關閉合時其導通電阻較大的缺陷，這對于精確傳輸信號是不利的。本文以HC4052雙四選一模擬轉換開關集成電路為例，實測了該集成電路的導通電阻，通過對該集成電路外圍電路的設計，使整體電路成為良好的高速精密模擬信號傳輸器。

2 HC4052的引腳功能及導通電阻實測數(shù)據(jù)

HC4052是雙通道四選一模擬轉換開關集成電路。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，四選一模擬轉換開關導通時各開關的壓降進行了實測(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導通時平均的電阻值。結果如表2所示。

從表2可知，HC4052的導通電阻平均值為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 整體電路設計

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公共開關導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，在該開關輸入端后面加電壓跟隨器A2，以提高輸入阻抗(一般可達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，當需要切斷信號傳輸(YO-Y公共開關截止)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(如圖2中的X1-X公共開關)并聯(lián)在A2輸入端上，并通過HC4052的A邏輯引腳進行控制。當INH，B，A引腳均為低電位時，Y0-Y公共導通、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公共開關導通電阻接地，其輸出為0V(電路初始調試時，A1，A2輸入端通過電阻接地，調節(jié)10kΩ電位器，使各自輸出為0V，從而補償了輸入失調電壓)，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驗數(shù)據(jù)如表3所示。從表3實測數(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時間進行檢測。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后達到穩(wěn)定值。由此看出，HC4052的開關速率與A2的轉換速率是影響整體電路開關反應速度的因素。實測數(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 電路的實際應用

該電路已成功運用于一種新型汽車側滑檢驗臺模擬信號的傳輸及其控制。該檢驗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內切斷信號的傳輸。上述設計的電路的性能指標大大優(yōu)于該檢驗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 結語

用本文所述類似的方法，可將該電路容易地擴展為單通道二選一高速精密模擬信號傳輸器(利用Y2-Y公共開關和X3-X公共開關)。如果再換用高轉換速率的運放，該傳輸器對控制信號的反應速度還可進一步提高。由于該傳輸器的性能很優(yōu)良，其應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，將會有更廣的應用前景。