Аналоговые ключи и коммутаторы в интегральном исполнении

Широкое применение микропроцессорных схем, ЦАП и АЦП, обрабатывающих информацию, поступающую от нескольких датчиков в режиме разделения времени, обусловили развитие микросхем аналоговых коммутаторов (АК) с внутренними цифровыми схемами управления, совместимых с цифровыми интегральными схемами и микропроцессорами. устройств).

Как правило, схемы ключей реализуются на МОП-транзисторах, потребляющих мало энергии. Обычно в одном корпусе микросхемы содержатся несколько ключей и схемы управления ими. Аналоговые ключи и коммутаторы в основном сосредоточены в сериях интегральных схем КР590, КР591, КР190 (К590, К591, К190). Серия 591 позволяет передавать аналоговые двухполярные сигналы, амплитудой до 15 В, серия 590 – до5 В. При превышении этого предела ключи “текут“, т.е. резко возрастают токи утечки разомкнутых ключей и возрастает взаимное влияние каналов коммутатора друг на друга.

Р ассмотрим восьмиканальный аналоговый МОП-коммутатор КР590КН1, используемый в данной лабораторной работе. Мультиплексор, снабженный дешифратором (рис. 3), позволяет производить адресный опрос каналов в зависимости от логических уровней на входах 13, 14 15. Для работы в микропроцессорных системах и многоступенчатых коммутаторах микросхема имеет вход разрешения работы —вывод 12.

Рис.3.Коммутатор К590КН1

Данный коммутатор имеет двухполярное питание +5В и –15В, коммутируемое напряжение Uком=+\-5В, коммутируемый ток составляет 10 мА. Сопротивление открытого (замкнутого) ключа составляет 500 Ом, время включения – 1 мкс. Микросхема имеет внутренний дешифратор 3х8, что позволяет проводить управление выбором канала по трем входным линиям. По цифровому входу микросхема совместима с ТТЛ- логикой. Выбор каналы определяется таблицей истинности, приведенной на рис. 4. При низком логическом уровне на входе Е, вывод 12, коммутатор закрыт, входные сигналы на выход не проходят, микросхема по выходу находится в состоянии высокого выходного сопротивления, аналогичного третьему состоянию цифровых интегральных схем.

Р ис.4. Таблица истинности коммутатора К590КН1.

При небольшом числе коммутируемых каналов используют, как правило, одноступенчатые мультиплексоры. В настоящее время коммутаторы в интегральном исполнении выпускаются на основе МОП- транзисторов, работающих в ключевом режиме. Сопротивление замкнутого МОП- ключа составляет сотни Ом, а разомкнутого –десятки МОм. Первое приводит к падению напряжения на замкнутом ключе и потерям в амплитуде передаваемого сигнала, устраняют влияние сопротивления замкнутого ключа применением на его выходе буферного усилителя с высоким входным сопротивлением и коэффициентом передачи, равным 1. Наличие конечного (не бесконечно большого) сопротивления разомкнутого ключа ведет к частичному прохождению на выход сигналов с отключенного канала. Такая погрешность устраняется применением многоступенчатых коммутаторов. Например, первая ступень - два коммутатора К590КН1 с организацией 8х1, вторая ступень – такой же коммутатор, или коммутатор с организацией 2х1 (зависит от числа каналов, в первом случае получаем двухступенчатый коммутатор, с организацией 64х1, во втором – 16х1). В многоступенчатых коммутаторах на погрешность передачи сигнала сказываются только утечки разомкнутых ключей последней ступени и выбранного мультиплексора первой ступени, с которого идет передача сигнала. Неработающие мультиплексоры первой ступени закрыты по входу Е.

В лабораторной работе исследуется одноступенчатый коммутатор. На выходе мультиплексора (микросхема КР590КН1) включен операционный усилитель КР544УД2 в режиме повторителя напряжения. Он имеет высокое входное сопротивление и слабо нагружает мультиплексор, что позволяет получить коэффициент передачи входного сигнала, близкий к единице.

КР590КН1 КР544УД2

Рис.5. Схема одноступенчатого коммутатора организации 8х1 с буферным усилителем на выходе.

Низкое выходное сопротивление операционного усилителя позволяет работать на удаленную нагрузку, том числе на кабель. Управление коммутатором производится кодирующим переключателем, подающим двоичные кодовые кодовые комбинации номера выбранного канала на встроенный дешифратор мультиплексора. Вывод 12 коммутатора позволяет отключить коммутатор, при этом его выход переводится в состояние с высоким сопротивлением. Для исключения возможности вхождения операционного усилителя в насыщение при закрытом по входу Е коммутаторе неинвертирующий вход ОУ подключен на землю через резистор 390к. Конденсатор, включенный параллельно этому резистору уменьшает импульсные помехи, возникающие при коммутации каналов.

Порядок выполнения работы:

Рис.6. Лицевая панель стенда работы № 4.

1. Измерить напряжения U1 -:U8

2. Подать напряжения U1 -:U8 на соответствующие входы мультиплексора

3. Измерить выходное напряжение для каждого из восьми каналов мультиплексора

4. Вычислить абсолютную и относительную погрешности для каждого канала мультиплексора

5. Подать поочередно напряжение U1 на вход 1, оставить свободными семь входов мультиплексора и измерить напряжение на выходе

6. Повторить п.5, подав напряжение U2 на вход 2 и измерить напряжение на выходе, и т.д. до канала 8

7. Повторить п.4

8. Сравнить результаты по п.4 и п.7 с п.1

9. Объяснить расхождение результатов

10. Подготовить отчет