剖析一种高速精密模拟信号传输器设计

1 引言

在许多电子测量的场合经常需要信号传输器能快速启动和切断信号的传输，并且要求传输器能精确地传输±极性的电信号，如果不考虑传输器的开关响应速度等特殊要求，通常人们会首先想到采用电磁继电器，因为电磁继电器的触点导通时的电阻一般在数mΩ至数十mΩ范围内，可以精确地传输±极性电信号。

但是，电磁继电器有2个难以克服的缺陷，一是开关反应速度较慢（目前最快的微型电磁继电器开关速率只能达到2－1.5ms）；二是微型电磁继电器用在有较强振动的场合，其触点容易产生瞬间误动作。因此，在需要传输器的开关响应速度较快，并在有较强机械振动的场合工作时，人们会考虑采用电子转换开关，电子转换开关具有开关响应速度快，并在有较强机械振动的场合能可靠工作。

但不足的是电子转换开关存在开关闭合时其导通电阻较大的缺陷，这对于精确传输信号是不利的。本文以HC4052双四选一模拟转换开关集成电路为例，实测了该集成电路的导通电阻，通过对该集成电路外围电路的设计，使整体电路成为良好的高速精密模拟信号传输器。

2 HC4052的引脚功能及导通电阻实测数据

HC4052是双通道四选一模拟转换开关集成电路。用0V和5V信号能控制±5V的模拟信号的传输，使用±5V双电源。其引脚功能如图1所示；其逻辑功能如表1所示。

首先对该集成电路两个通道，四选一模拟转换开关导通时各开关的压降进行了实测（测试条件：输入端电压为1.00V，输出端与地之间接1kΩ电阻），并将其折算出各开关导通时平均的电阻值。结果如表2所示。

从表2可知，HC4052的导通电阻平均值为41.4Ω，这在传输弱信号并且后接电路的输入阻抗不高的情况下，将会带来很大的相对误差。

3 整体电路设计

图2是本文给出的高速精密模拟信号传输器的电原理图。A1是HC4052输入端加的一级电压跟随器，以提高整个电路的输入阻抗。图中只表示了由Y0－Y公共开关传输信号的情况。如果HC4052后接电路的输入阻抗不高，则Y0－Y公共开关导通电阻将会造成信号幅度的衰减，带来很大的测量误差。为了尽可能减小衰减，在该开关输入端后面加电压跟随器A2，以提高输入阻抗（一般可达108Ω），使传输的信号绝大部分降落在A2输入端上，经用分辨率为0.1mV数字万用表实例，Vi与VO的数值相等，从而使传输信号的精度得到了很好的保证。

但这样又会产生另一个问题，当需要切断信号传输（YO－Y公共开关截止）时，由于A2输入端处于悬空态，其输出端有不稳定电压出现，这是不希望看到的。为了解决该问题，本文将HC4052的另一开关（如图2中的X1－X公共开关）并联在A2输入端上，并通过HC4052的A逻辑引脚进行控制。当INH，B，A引脚均为低电位时，Y0－Y公共导通、X1－X公共截止，这时为传输信号状态，传输的信号绝大部分降落在A2输入端上，从而使传输信号的精度得到了保证。

当INH，B引脚均为低电位、A引脚为高电位时，Y0－Y公共截止、X1－X公共导通，这时为切断传输信号状态，A2输入端通过X1－X公共开关导通电阻接地，其输出为0V（电路初始调试时，A1，A2输入端通过电阻接地，调节10kΩ电位器，使各自输出为0V，从而补偿了输入失调电压），从而封闭了信号的传输。

该电路传输信号时与封闭信号传输时的实验数据如表3所示。从表3实测数据可知，该电路既能够精确地传输信号，也能够完全封闭信号的传输。用双通道记忆示波器对电路的开通与切断的反应时间进行检测。输入信号Vi的幅度为1V。信号传输开通时，HC4052的A引脚由高电位跳变到低电位，Vo延迟了400ns后由0V达到稳定值1V。封闭信号传输时，HC4052的A引脚由低电位跳变到高电位，Vo在延迟了460ns后由1V达到稳定值0V。

用同样的方法还测试了HC4052的Y引脚信号对控制信号的反应时间，开通与切断信号传输时，Y引脚信号相对控制信号（A引脚高低电位的跳变）分别延迟了230ns和90ns后达到稳定值。由此看出，HC4052的开关速率与A2的转换速率是影响整体电路开关反应速度的因素。实测数据证明：该电路是一良好的高速精密模拟信号传输器。

4 电路的实际应用

该电路已成功运用于一种新型汽车侧滑检验台模拟信号的传输及其控制。该检验台的位移传感器向配套的仪表传输的信号为0－±1V模拟信号，要求传输器传输的信号误差不大于1mV，并且要求在控制信号发出后的0.5ms内切断信号的传输。上述设计的电路的性能指标大大优于该检验台对信号传输器提出的要求，并且该传输器工作稳定可靠。

5 结语

用本文所述类似的方法，可将该电路容易地扩展为单通道二选一高速精密模拟信号传输器（利用Y2－Y公共开关和X3－X公共开关）。如果再换用高转换速率的运放，该传输器对控制信号的反应速度还可进一步提高。由于该传输器的性能很优良，其应用范围将会非常广泛。另外，如果采用本文提供的方案，集成电路生产厂家能将本电路（除2个10kΩ电位器外）集成在一块片子上，则整体电路体积更小，工作更可靠、使用更方便，将会有更广的应用前景。

编辑：jq