模拟开关--扩展模拟采集通道需要考虑的问题

2、多通道模拟采集

项目需求多通道的模拟采集，但是MCU内置ADC通道有限，如果外置ADC芯片则会升高成本、增大电路板尺寸等，同时对电路Layout难度也有上升，需要考虑电路板的各种电磁特性和噪声。
所以一般的多通道采集方案，尤其是上了几十个通道以上的，均为模拟开关作通道拓展的方式，来实现对几个ADC接口扩展为多个物理接口。
当然，很多要求通道拓展数量不多，比如三到五个，但要求高精度的、低噪声等要求，都会采用外置高性能ADC芯片 + （模拟信号）继电器 的方案来设计。

3、使用模拟开关做ADC采集通道扩展需要注意的点：

**模拟开关优点：**使用极少量的物理ADC处理模块，实现多通道的扩展。

需要注意的点：模拟开关由于采用的是集成MOS管作为开关的器件实现开关功能；由于MOS管自身物理特性，在使用的时候需要注意一下几个性能指标：
①开关速度：
模拟开关的开关速度一般能达到兆Hz的速度，可以快速实现链路切换。
②开关耐压：
模拟开由于其应用的信号链路为电子板低压工作环境，关耐压值一般在15v以内；常见的有3.3v、5v、12v、15、等最大耐压值；选择时必须注意信号链路的最大电压与器件最大耐压值。
③开关最大电流：
模拟开关的导通能够承受的最大电流值，现在常见的模拟开关的开关最大电流一般在几百毫安以内；安培级别的模拟开关很少。
④导通电阻：
常见的模拟开关的导通阻抗一般从几个欧姆到100欧姆之间；在模拟信号和弱信号设计的时候使用模拟开关必须注意这个参数。
⑤关断阻抗：
关断阻抗代表着开关的关断能力，关断好坏，一般产品的关断阻抗足以达到抑制相邻两个信号链路相互干扰的能力。

1 多路开关通断方式的选择

目前市场上的多路开关的通断切换方式大多为**“先断后通”（Break-Before-Make）**。在自动数据采集中，应选用“先断后通”的多路开关。否则，就会发生两个通道短接的现象，严重时会损坏信号源或多路开关自身。

然而，在程控增益放大器中，若用多路开关来改变集成运算放大器的反馈电阻，以改变放大器的增益，就不宜选用“先断后通”的多路开关。否则，放大器就会出现开环状态。放大器的开环增益极高，易破坏电路的正常工作，甚至损坏元器件，一般应予避免。

2 通道数量

集成模拟开关通常包括多个通道。比如8/16通道。通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多，寄生电容和泄漏电流就越大。因为当选通一路时，其它阻断的通道并不是完全断开，而是处于高阻状态，会对导通通道产生泄漏电流，通道越多，漏电流越大，通道之间的干扰也越强。

3 泄漏电流

一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约1nA。

如果信号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。

4 导通电阻

导通电阻的平坦度与导通电阻一致性。导通电阻会损失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。应用中应根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。【注】：导通电阻的值与电源电压有直接关系，通常电源电压越大，导通电阻就越小，而且导通电阻和泄漏电流是矛盾的。要求导通电阻小，则应扩大沟道，结果会使泄漏电流增大。

导通电阻随输入电压的变化会产生波动，导通电阻平坦度是指在限定的输入电压范围内，导通电阻的最大起伏值△RON=△RONMAX—△RONMIN。它表明导通电阻的平坦程度，△RON应该越小越好。导通电阻一致性代表各通道导通电阻的差值，导通电阻的一致性越好，系统在采集各路信号时由开关引起的误差也就越小。多路开关的导通电阻RON（一般为数10Ω至1kΩ左右）比机械开关的接触电阻（一般为mΩ量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控制增益放大的增益影响较明显，而且RON通道随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。实践中一般是设法减小RON来降低其影响。以CD4051为例：CD4051的RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。当VDD=5V、VEE=0V时，RON=280Ω，且随V1的变化突变；当VDD>10V、VEE=0V时，RON=100Ω，且随V1的变化缓变。可见，适当提高CD4051的VDD有利于减小RON的影响。必须注意：提高VDD的同时，应相应提高选通控制端A、B、C的输入逻辑电平。

可见，根据具体情况，适当提高多路开关的电源电压，是降低其RON影响的一种有效措施。此外，适当提高电源电压，还可以同时减小导通电阻路差ΔRON和加快开关速度。
5 开关速度

开关速度指开关接通或断开的速度。通常用接通时间TON和断开时间TOFF表示。对于需要传输快变化信号的场合，要求模拟开关的切换速度高，同时还应该考虑与后级采样保持电路和A/D转换器的速度相适应，从而以最优的性能价格比来选择器件。

多路开关的切换速度与其自身的结构、工作条件以及外电路的情况都有关系。

在实践中应注意以下几点：所有的多路开关的平均传输延迟时间tpd均随VDD的升高而减小。传输信号的信号源内阻Rs对多路开关的切换时间有重要影响。在其它条件不变的情况下，**切换时间近似与Rs成正比，即Rs越小，开关的动作就越快。**所以，对高内阻的信号源（一些传感器就是如此），宜用阻抗变换器（如电阻跟随器），将阻抗变低后再接入多路开关。此外，减小Rs还可同时减小多路开关的关断漏电流造成的误差。
6 选择合适的传输信号输入方式

传输信号一般有单端输入和差动输入两种方式，分别适用于不同的场合。

单端输入方式，即把所有信号源一端接同一信号地，信号地与ADC等的模拟地相接，各信号源的另一端分别接多路开关。

差动输入方式，即把所有信号源的两端分别接至多路开关的输入端。其优点是抗共模干扰的能力强，缺点是实际通道数只有单端输入方式的一半。当传输信号的信噪比较低时，必须使用差动输入方式。模拟开关和多路转换器主要特性
7 消除抖动引起的误差
和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关的输出信号，就可能引入很大的误差。例如：某计算机自动数据采集与处理系统采集三个模拟量：水泵转速、流量、压力。三个模拟量对应的TTL电平分别为：1.5454V，1.5698V、2.9394V。采集系统从通道1、2、3分别对这三个模拟量连续采集10次，采集结果位于1.8554～1.8603、1.5625～1.5673、1.62207～1.62695之间，其中1、3、通道的误差很大。这种误差是由于系统在多路开关通断切换未稳定下来就采集数据造成的。消除抖动的常用方法有两种：一是用硬件电路来实现（硬件方法），即用RC滤波器除抖动；另一种是用软件延时的方法来解决（软件方法）。