CMOS 模擬開關(guān)在自整角機(jī)信號處理中的應(yīng)用

朱紅永，李繼東

(海軍蚌埠士官學(xué)校，蚌埠233012)

0 引 言

集成CMOS 模擬開關(guān)是一種能使信號通過或阻斷的電子器件，常用于電子設(shè)備中作模擬信號或數(shù)字信號的傳輸和控制。但由于其工作電壓范圍有限，一般只能用于幅值不太高的信號傳輸和控制。如常見的集成模擬開關(guān)CD4016、CD4066、CD4051、CD4067 和CD4097 的工作電壓僅在18 V 以內(nèi);AD7510 系列、MAX466 等工作電壓最高也只在50 V以內(nèi)。要用它們直接傳輸和切換幅值高達(dá)128 V 的自整角機(jī)信號，顯然是不可能的。但若能設(shè)法實現(xiàn)這一目的，將使伺服系統(tǒng)的架位信號反饋電路大為簡化，設(shè)備成本顯著降低。尤其是CD4066 性能穩(wěn)定，集成度高(內(nèi)置四個模擬開關(guān))，價格低廉，若用其結(jié)合分時復(fù)用技術(shù)，省去一部分價格高達(dá)數(shù)千元一塊的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器，極具誘惑力，本文在此介紹該技術(shù)的研究心得和技術(shù)實現(xiàn)過程。

1 簡約化設(shè)計的提出

在精密的控制伺服系統(tǒng)中，主要采用自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器將角度位移量轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量。如12ZSZ 就是常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之一，該模塊能夠跟蹤自整角機(jī)軸角的變化，將三相自整角機(jī)信號轉(zhuǎn)換成與TTL 電平兼容的并行二進(jìn)制碼。

由于隨動系統(tǒng)的方位和高低架位信號各分粗、精兩路傳送，因而架位信號反饋電路需要四個這樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊一一對應(yīng)轉(zhuǎn)換，如圖1 所示。

圖1 方位和高低架位信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由于自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器一直價格不菲，且占用電路版面較大，采用分時復(fù)用技術(shù)將電路中四個模塊減為一個是簡約化設(shè)計的目標(biāo)。

2 分時復(fù)用的可行性分析

眾所周知，分時復(fù)用是信息處理中最為常用的技術(shù)手段。在高低和方位架位信號的采集處理電路中，處理器對四路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字量就是采用分時提取的。因而我們也可以采用分時復(fù)用的方法，用一個自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器分時轉(zhuǎn)換高低和方位這四路架位信息。只是這四路架位信息的分時轉(zhuǎn)換需要采用CMOS 模擬開關(guān)來切換，電路如圖2 所示。圖2 只給出了一路三相自整角機(jī)信號經(jīng)模擬開關(guān)接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器的情況，其余三路未畫出，共有12 根信號線，分四組經(jīng)CMOS 模擬開關(guān)切換。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換信號的切換控制

從圖2 中可以看出，當(dāng)模擬開關(guān)處于關(guān)斷時，模擬開關(guān)直接承受自整角機(jī)的線電壓信號以及關(guān)斷瞬間的反電動勢。以36ZLF004 型自整角機(jī)為例，其線電壓幅值高達(dá)127.3 V，加之換路瞬間的反電動勢，這就必須考慮模擬開關(guān)的工作電壓范圍和功耗問題。否則，模擬開關(guān)將無法工作并損壞。現(xiàn)有的集成CMOS 模擬開關(guān)器件無法在這樣高的電壓下正常工作，若改用繼電器、干簧管等開關(guān)器件，雖然能滿足切換幅值的要求，但其體積大，切換速度低，并且可靠性差，顯然不能采用。綜合考慮，架位信號的傳輸和切換采用集成CMOS 模擬開關(guān)最為合適，只是要設(shè)法使加在模擬開關(guān)上的架位信號的幅值小于模擬開關(guān)的最高工作電壓。為了實現(xiàn)這一點(diǎn)，可以在模擬開關(guān)處于導(dǎo)通時，利用分壓電阻降壓;而在模擬開關(guān)處于關(guān)斷時，利用限幅電路降壓，但必須保證限幅電路對架位信號的傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換精度不產(chǎn)生任何影響。否則，自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分時復(fù)用將無意義。

3 信號分壓和限幅電路的設(shè)計

如果采用的模擬開關(guān)器件是高性價比的CD4066，其工作電壓范圍的典型值是3 ～18 V。這樣一來，圖2 中任一模擬開關(guān)所傳輸?shù)男盘柕姆挡坏么笥?8 V。考慮到連接到自整角機(jī)三根相線上的模擬開關(guān)不可能做到理想的同步接通或關(guān)斷，因而加到模擬開關(guān)上的線電壓幅值U23(或U39，U92)不得大于18 V。為了能做到這一點(diǎn)，我們應(yīng)盡可能地采用采樣電壓只有7 V(線線電壓的有效值)的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊，如12ZSZ14AB 等。同時，由于輸入的線電壓較低，當(dāng)模擬開關(guān)換路時的反電動勢的影響不至于對轉(zhuǎn)換模塊和模擬開關(guān)構(gòu)成威脅。降低輸入信號線電壓的方法如圖3 所示。

圖中，R1，R2，R3為降壓比例電阻，自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換器外加比例電阻的計算方法如下(以12ZSZ 系列為例):信號每增加1 V，分別在三根相線S1、S2和S3上串連1.11 kΩ 的電阻，當(dāng)取樣電壓有效值為7 V 的自整角機(jī)——數(shù)字轉(zhuǎn)換器與線電壓有效值為90 V 的自整角機(jī)傳感器相連時，在每個相線上需要串聯(lián)的電阻阻值:(90 -7)×1.11 kΩ= 92.13 kΩ。

圖3 采用比例電阻降壓的方法

從圖3 可以看出，當(dāng)模擬開關(guān)處于閉合時，由于比例電阻的分壓作用，加在模擬開關(guān)上的線線電壓不會超過其正常的工作電壓范圍，模擬開關(guān)能夠安全工作。但當(dāng)模擬開關(guān)處于關(guān)斷時，比例電阻的分壓幾乎為零，90 V 的線線電壓幾乎全部加在了兩個模擬開關(guān)之間，大大超過了其安全工作電壓范圍。所以，還必須設(shè)法在模擬開關(guān)處于關(guān)斷時，利用限幅電路將線線電壓限制在安全電壓以內(nèi)。并且注意所設(shè)計的限幅電路，當(dāng)模擬開關(guān)閉合，自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器處于模數(shù)轉(zhuǎn)換時，不應(yīng)對信號的傳輸有分流作用。而當(dāng)模擬開關(guān)關(guān)斷，自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器——數(shù)字轉(zhuǎn)換器停止模數(shù)轉(zhuǎn)換時，限幅電路應(yīng)將信號的幅值限制在模擬開關(guān)允許的工作電壓范圍內(nèi)。本著這一原則，限幅電路的設(shè)計如圖4 所示。

圖4 采用瞬態(tài)抑制二極管限幅的方法

圖4 中的D1，D2，D3 為雙向瞬態(tài)抑制二極管，它是一種過壓保護(hù)器件，對電路中瞬間出現(xiàn)的過電壓起到分流、箝位作用。其雙向擊穿電壓對稱性好、響應(yīng)速度快，適合在各種環(huán)境中使用。瞬態(tài)抑制二極管是利用齊納擊穿穩(wěn)壓特性工作的，每個PN 結(jié)都有自己的反向擊穿電壓。當(dāng)所加電壓小于反向擊穿電壓時，幾乎沒有電流流過，一旦所加電壓高于反向擊穿電壓時，PN 結(jié)將很快進(jìn)入擊穿區(qū)，并允許瞬間大電流通過，同時將端電壓限制在反向擊穿電壓附近。因而，當(dāng)模擬開關(guān)閉合時，由于比例電阻的分壓作用，雙向瞬態(tài)抑制二極管的端電壓遠(yuǎn)小于其反向擊穿電壓，雙向瞬態(tài)抑制二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，對自整角機(jī)信號的傳輸沒有任何影響，可視為不存在。而當(dāng)模擬開關(guān)關(guān)斷時，一旦加在雙向瞬態(tài)抑制二極管上的線線電壓超過其反向擊穿電壓，雙向瞬態(tài)抑制二極管便擊穿導(dǎo)通，并將電壓箝位在設(shè)計的電壓范圍內(nèi)，保證了模擬開關(guān)的安全。

通過以上分析和電路設(shè)計，筆者綜合應(yīng)用常用電子器件，實現(xiàn)了將集成CMOS 模擬開關(guān)用于高電壓自整角機(jī)信號的傳輸和切換，使精密控制伺服系統(tǒng)中的架位信號反饋電路得以簡化。

4 電路設(shè)計時應(yīng)注意的問題

4.1 模擬開關(guān)的開關(guān)特性

理想的模擬開關(guān)在接通時其導(dǎo)通電阻應(yīng)為零，使通過它的信號不產(chǎn)生任何損失;在斷開時阻值應(yīng)為無窮大，以期完全阻斷信號，而不產(chǎn)生任何泄漏，但實際的模擬開關(guān)很難做到這一點(diǎn)。因而，本電路的設(shè)計要在每根相線上串聯(lián)兩個模擬開關(guān)，如圖5所示，以達(dá)到在關(guān)斷時完全阻斷信號的目的。

圖5 提高轉(zhuǎn)換電路隔離度的方法

其次，模擬開關(guān)導(dǎo)通時是有一定內(nèi)阻的，電路設(shè)計時不能將其忽略，否則將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)換誤差。

4.2 模擬開關(guān)的信號傳輸特性

使用集成CMOS 模擬開關(guān)時應(yīng)注意它屬電壓控制型器件，被傳輸?shù)男盘栆矐?yīng)是電壓信號。當(dāng)被傳送的信號是交流信號時，有兩種情況要區(qū)別對待。一是若采用單電源工作，則應(yīng)在開關(guān)的輸入端加分壓式偏置電阻，將輸入信號偏置在VDD/2 電平上;二是采用正、負(fù)電源供電，開關(guān)的輸入端不加分壓式偏置電阻。本電路的設(shè)計不能使用前者，只能使用正、負(fù)電源供電，以保證信號傳輸?shù)木€性度和正確的比例關(guān)系。并且，所傳輸信號的峰峰值不得超過VSS～VDD范圍。

4.3 分壓電路的精度設(shè)計

分壓電路的分壓精度直接影響信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度。所以，分壓固定電阻器要采用精度較高的、同型號的、功率不小于0.1 W、允許誤差≤±1%的五環(huán)電阻;二是分壓比例電阻值包含了模擬開關(guān)的內(nèi)阻，電路設(shè)計要考慮有小范圍的調(diào)整余量，從而保證每一相線的分壓比例電阻值相同。

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