CMOS 模擬開關在自整角機信號處理中的應用

朱紅永，李繼東

(海軍蚌埠士官學校，蚌埠233012)

0 引 言

集成CMOS 模擬開關是一種能使信號通過或阻斷的電子器件，常用于電子設備中作模擬信號或數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CD4016、CD4066、CD4051、CD4067 和CD4097 的工作電壓僅在18 V 以內;AD7510 系列、MAX466 等工作電壓最高也只在50 V以內。要用它們直接傳輸和切換幅值高達128 V 的自整角機信號，顯然是不可能的。但若能設法實現這一目的，將使伺服系統的架位信號反饋電路大為簡化，設備成本顯著降低。尤其是CD4066 性能穩定，集成度高(內置四個模擬開關)，價格低廉，若用其結合分時復用技術，省去一部分價格高達數千元一塊的自整角機/旋轉變壓器——數字轉換器，極具誘惑力，本文在此介紹該技術的研究心得和技術實現過程。

1 簡約化設計的提出

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

由于隨動系統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轉換模塊一一對應轉換，如圖1 所示。

圖1 方位和高低架位信號的模數轉換電路

由于自整角機/旋轉變壓器——數字轉換器一直價格不菲，且占用電路版面較大，采用分時復用技術將電路中四個模塊減為一個是簡約化設計的目標。

2 分時復用的可行性分析

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

圖2 模數轉換信號的切換控制

從圖2 中可以看出，當模擬開關處于關斷時，模擬開關直接承受自整角機的線電壓信號以及關斷瞬間的反電動勢。以36ZLF004 型自整角機為例，其線電壓幅值高達127.3 V，加之換路瞬間的反電動勢，這就必須考慮模擬開關的工作電壓范圍和功耗問題。否則，模擬開關將無法工作并損壞。現有的集成CMOS 模擬開關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 模擬開關最為合適，只是要設法使加在模擬開關上的架位信號的幅值小于模擬開關的最高工作電壓。為了實現這一點，可以在模擬開關處于導通時，利用分壓電阻降壓;而在模擬開關處于關斷時，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轉換精度不產生任何影響。否則，自整角機/旋轉變壓器——數字轉換器的分時復用將無意義。

3 信號分壓和限幅電路的設計

如果采用的模擬開關器件是高性價比的CD4066，其工作電壓范圍的典型值是3 ～18 V。這樣一來，圖2 中任一模擬開關所傳輸的信號的幅值不得大于18 V。考慮到連接到自整角機三根相線上的模擬開關不可能做到理想的同步接通或關斷，因而加到模擬開關上的線電壓幅值U23(或U39，U92)不得大于18 V。為了能做到這一點，我們應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/旋轉變壓器——數字轉換器模塊，如12ZSZ14AB 等。同時，由于輸入的線電壓較低，當模擬開關換路時的反電動勢的影響不至于對轉換模塊和模擬開關構成威脅。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-數字轉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，當取樣電壓有效值為7 V 的自整角機——數字轉換器與線電壓有效值為90 V 的自整角機傳感器相連時，在每個相線上需要串聯的電阻阻值:(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，當模擬開關處于閉合時，由于比例電阻的分壓作用，加在模擬開關上的線線電壓不會超過其正常的工作電壓范圍，模擬開關能夠安全工作。但當模擬開關處于關斷時，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之間，大大超過了其安全工作電壓范圍。所以，還必須設法在模擬開關處于關斷時，利用限幅電路將線線電壓限制在安全電壓以內。并且注意所設計的限幅電路，當模擬開關閉合，自整角機/旋轉變壓器——數字轉換器處于模數轉換時，不應對信號的傳輸有分流作用。而當模擬開關關斷，自整角機/旋轉變壓器——數字轉換器停止模數轉換時，限幅電路應將信號的幅值限制在模擬開關允許的工作電壓范圍內。本著這一原則，限幅電路的設計如圖4 所示。

圖4 采用瞬態抑制二極管限幅的方法

圖4 中的D1，D2，D3 為雙向瞬態抑制二極管，它是一種過壓保護器件，對電路中瞬間出現的過電壓起到分流、箝位作用。其雙向擊穿電壓對稱性好、響應速度快，適合在各種環境中使用。瞬態抑制二極管是利用齊納擊穿穩壓特性工作的，每個PN 結都有自己的反向擊穿電壓。當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 結將很快進入擊穿區，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，當模擬開關閉合時，由于比例電阻的分壓作用，雙向瞬態抑制二極管的端電壓遠小于其反向擊穿電壓，雙向瞬態抑制二極管處于截止狀態，對自整角機信號的傳輸沒有任何影響，可視為不存在。而當模擬開關關斷時，一旦加在雙向瞬態抑制二極管上的線線電壓超過其反向擊穿電壓，雙向瞬態抑制二極管便擊穿導通，并將電壓箝位在設計的電壓范圍內，保證了模擬開關的安全。

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

4 電路設計時應注意的問題

4.1 模擬開關的開關特性

理想的模擬開關在接通時其導通電阻應為零，使通過它的信號不產生任何損失;在斷開時阻值應為無窮大，以期完全阻斷信號，而不產生任何泄漏，但實際的模擬開關很難做到這一點。因而，本電路的設計要在每根相線上串聯兩個模擬開關，如圖5所示，以達到在關斷時完全阻斷信號的目的。

圖5 提高轉換電路隔離度的方法

其次，模擬開關導通時是有一定內阻的，電路設計時不能將其忽略，否則將產生較大的轉換誤差。

4.2 模擬開關的信號傳輸特性

使用集成CMOS 模擬開關時應注意它屬電壓控制型器件，被傳輸的信號也應是電壓信號。當被傳送的信號是交流信號時，有兩種情況要區別對待。一是若采用單電源工作，則應在開關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、負電源供電，開關的輸入端不加分壓式偏置電阻。本電路的設計不能使用前者，只能使用正、負電源供電，以保證信號傳輸的線性度和正確的比例關系。并且，所傳輸信號的峰峰值不得超過VSS～VDD范圍。

4.3 分壓電路的精度設計

分壓電路的分壓精度直接影響信號的模數轉換精度。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%的五環電阻;二是分壓比例電阻值包含了模擬開關的內阻，電路設計要考慮有小范圍的調整余量，從而保證每一相線的分壓比例電阻值相同。

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［3］ 池海紅，單蔓紅.自動控制元件［M］. 北京:中國電力出版社，2010.

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