0 引言

　　隨著計算機、單片機技術的不斷發(fā)展與完善，智能數據自采集系統(tǒng)廣泛應用于各大重要技術領域，在數據自采集系統(tǒng)中，常常是對多路不同信號進行采集、傳輸、儲存與處理。市面上也有很多種類不同的多通道數據采集卡，這些數據采集卡和系統(tǒng)中大多使用了集成多路模擬開關。集成多路模擬開關（以下簡稱多路開關）是智能數據自采集系統(tǒng)中的常用器件，其可靠性、電氣特性以及實際使用性能的優(yōu)劣直接影響采集系統(tǒng)的可靠性與精確度，而目前對于多路開關的介紹多是在原理性方面，結合實際電路操作與分析的則比較少。文中從應用的角度出發(fā)，結合實際設計電路，給出了使用多路開關進行數據采集調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，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信號或者5 V的CMOS邏輯電信號，其結構框圖如圖1所示。

　　在對多路開關使用中供電電壓的選擇上，應綜合考慮系統(tǒng)的供電條件與多路開關自身的電氣特性，本文主要考慮了其導通電阻、切換延遲時間這2個主要因素。多路開關ADG506A的導通電阻RON對自動數據采集的信號傳輸精度影響較明顯，而且RON通常隨電源電壓高低、傳輸信號的幅度等變化而變化，在設計中，一般是設法減小RON來降低其影響。本設計中使用的ADG506A的導通電阻RON隨供電電壓變化曲線如圖2所示，在供電電壓為±5 V時，RON≈480 Ω，且隨VDD、VSS的變化而突變；當供電電壓為±15 V時，RON≈200 Ω，且隨VDD、VSS的變化相對緩慢地變化，可見，適當提高VDD、VSS的絕對值有利于降低RON對系統(tǒng)的影響。

　　當選通信道地址進行切換時，多路開關ADG506A會有一個切換延時時間tTRANSITION，如圖3所示。而多路開關的切換延時時間tTRANSITION隨供電電壓的變化會發(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，切換延時時間tTRANSITION隨供電電壓的升高均明顯地減小，在雙端供電±5 V時，tTRANSITION≈350 ns；在雙端供電±15 V時，開關的切換時間tTRANSITION≈180 ns，可見，為了提高開關的切換速度，可以適當提高其供電電壓。

　　綜上兩點因素考慮，設計中選用±15 V的電壓對ADG506A進行供電。

2 “先斷后通”（Break-Before-Make）模式

　　多路開關通常有“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，若用多路開關來改變集成運放的反饋電阻，以改變放大器的增益，宜采用“先通后斷”的通斷切換方式[1]；在數據自采集系統(tǒng)中，多推薦采取如ADG506A芯片選用的“先斷后通”（Break-Before-Make）方式進行切換。從圖5所示的Break-Before-Make切斷時間tOPEN示意圖中可以看出，在地址切換前，多路開關產生一個切斷時間tOPEN，即開關斷開一個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短接時對外部電路造成的瞬時短路問題，保護了外部信號源和多路開關自身。

3 工作原理與接口電路

　　本文的多路模擬量數據信息在自采集系統(tǒng)中根據信息采用定理，按時分制方式對每個信號進行幅值采樣[2]，然后通過變換器對信號進行電平匹配變化之后進入多路開關，多路開關輸出一組離散脈沖幅度變化的信號，再通過A/D采樣后輸出二進制數字量。圖6是本文設計的數據自采集系統(tǒng)框圖。

　　測量傳感器將采集到的多樣化模擬數據經過自帶變換器把信號進行處理后接入變換開關(若需要接入不帶變換器的傳感器進行數據采集，可在傳感器后端接入變換器之后再連入變換開關)，本文采集到的實時數據包括10路電壓信號和6路電流信號。單片機的4個I/O口PE2～PE5直接與AD506A的A0～A3相連接，當單片機的I/O口PE6輸出到交換開關使能端EN為1并且I/O口PE2～PE5輸出0000～1111時，順序選通傳感器輸入的模擬數據S1~S16進入A/D轉換器LTC1605中進行模數轉換，轉換后的數字量信號從D0~D15輸出進入單片機I/O口PC0~PC7、PD0~PD7。最后經單片機處理后，可由顯示電路顯示在液晶屏上，或同時與上位機進行數據通信。

4 故障模式與分析解決

　　多路開關在切換通道時與機械開關類似，也會出現抖動過程，會有一個瞬變現象，若是在這個瞬變的瞬間正好處于A/D采樣的過程，那么采集系統(tǒng)中就可能引入一個誤差，從而導致系統(tǒng)誤采。消除誤差常用的方法在硬件上用RC濾波來實現。本采集系統(tǒng)中在多路信號的后端加入了RC濾波電路經濾波后接入多路開關。但在對本采集系統(tǒng)進行功能測試的過程中，當給其中一路“電存+”電壓供28 V電時，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，出現了0.2 V的干擾電壓(此時“電存-”這一路并沒有供電，應為0 V)，如圖7所示。

　　對“電存-”電路在多路開關的接入點進行了電壓測試，此時也并沒有電壓進入多路開關，考慮多路開關瞬變產生的誤采。查看軟件中多路開關切換延時時間，16通道數據采集切換與延時部分程序如下所示：

　　for(i=0;i<16;i++)

　　{ SET_N1EN();

　　CHANNEL(i);  //AD506切換通道

　　delay_us(1);}

　　多路開關的切換延時時間為微秒級別的，此時切換前的電容電壓沒有得到完全釋放，有引入誤差的可能。隨后采用了毫秒級的延時時間，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，可見采集結果正常，問題得以解決。

5 信號通道擴展電路

　　當系統(tǒng)需要的信號通道數更多時，可以采用圖9所示方式，由單片機控制32路巡檢通道電路。電路由兩片ADG506A轉換開關芯片Ⅰ和Ⅱ分別控制1～16、17～32通道信號，Ⅰ和Ⅱ的EN使能引腳間加一反向器后與單片機的I/O1控制引腳相連。當I/O1輸出高電平時，片Ⅰ被選通，I/O2~I/O5輸出0000～1111可順序選通通道1～16；當I/O1輸出低電平時，片Ⅱ被選通，I/O2~I/O5輸出0000～1111可順序選通通道17～32。

　　當電路對開關速度要求高時，可以采取圖10所示的兩級聯(lián)接方式，在多路開關與單片機之間再加入一級開關，這樣的聯(lián)接方式可以有效地降低多路開關的輸出總電容，使得電路的時間常數減少以提高開關的速度。此外，這種連接方式還可以使多路開關的總關斷漏電流減小，減小關斷漏電流給電路造成的誤差引入，提高測量精度。

6 結束語

　　本文介紹了在數據自采集系統(tǒng)中使用模擬多路開關ADG506A，并給出了硬件接口電路和擴張電路以及實現中應注意的問題和軟件解決出現故障的方法。使用多路開關ADG506A與ATmega128L單片機作為核心的數據采集系統(tǒng)已經成功應用到了科研生產實際中，可采集最多16路的電壓、電流信號，測量精度滿足1%。本設計達到了預期效果且通用性、擴展性良好。

參考文獻

　　[1] 周勝海.集成多路模擬開關的應用技巧[J].電子技術應用，2002，28（4）：79-80.

　　[2] 王爍，鄭鵬，吳雨翔，等.基于多路開關的遙測故障分析與驗證[J].理論與方法，2013，32（2）：13-16.