模擬開關通道間串擾機理分析及解決辦法

任勇峰,王小兵,張凱華

(中北大學， 太原 030051)

多通道采集系統由于能夠同時測量多通道傳感器數據，廣泛應用于機車檢測、航天測試等眾多領域。對于多通道采集裝置，為了節省資源，最常用的方法是采用模擬開關，通過分時復用的原則，利用一個主控器對多個通道的傳感器信號進行采集。在采集過程中，隨著采集信號采樣率不同，如果設計不合理，通道間會產生串擾影響，當采樣率過大時,串擾會變得非常明顯甚至會影響其他通道的采集。面對通道間的串擾問題，普遍采用的方法是采用性能好的模擬開關。如杜紅棉、祖靜等[1]，對模擬開關的性能進行分析，得出通道間串擾主要取決于模擬開關自身的泄露電流、切換速度、導通電阻、電源電壓以及通道數量范圍。通過了解相關參數后，一方面選擇了性能優異的模擬開關；另一方面對信號進行分組采集。肖天雷等[2]對采集的信號的頻率進行分析，提出降低采樣率的方法來消除串擾。為了減小串擾，前者選用性能優異的模擬開關，后者降低自身的采樣率。一般的模擬開關自身的-3 dB帶寬可以達到20 MHz，20 MHz的總采樣率完全能夠滿足正常測量系統的要求，但是人們總是選擇利用模擬開關1/10的帶寬，來確保通道間正常的采集，這無疑是對模擬開關帶寬的一種資源浪費。

1 理論分析

采集系統采用溫度采集裝置，可以同時采集200路溫度信息并在上位機上實時顯示。具體采樣電路如圖1所示。

圖1 采樣電路

在采集鏈路中，傳感器輸出信號經過運算放大器輸出給模擬開關，再由模擬開關傳輸給ADC。此采集模型為通用采集模型，經過對模型構成進行分析，建立了此采集電路的動態等效電路模型。對于傳感器、模擬開關等組成的測量電路，其總阻抗呈現容性，其等效電路如圖2所示。在此模型中，US代表恒壓源，UC代表模擬開關的輸出電壓，R1為調理跟隨電路的輸出阻抗，R為模擬開關的內阻，兩者共同組成RC電路中的阻抗R。(C1、C2、…、Cn)為模擬開關以及后續鏈路的分布電容，構成RC電路中總的分布電容值C。

圖2 RC等效電路

模擬開關切換后，對當前調理后的輸出電壓進行測量，正常情況下，由于在模擬開關切換之前的電路也有電壓輸出，該路輸入不為0，會對該當前通道造成影響，即該通道的初始狀態也不為零。因此該電路是由輸入和初始狀態兩者共同引起的全響應電路，該電路等效為RC串聯并且接通恒壓源的電路[3]。根據一階RC電路的零輸入相應和零狀態相應之間的關系可以得出實時采集中電路的輸出電壓UC(t)的表達式為：

(1)

式(1)中,US為電路的穩態輸出電壓值;U0為電路轉換前分布電容的充電電壓(初始值)。

UC(t)即為RC等效電路切換通道后的全響應表達式[4]。根據UC(t)的表達式，可以得出其變化曲線如圖3所示。當U0US，電容由U0放電至穩定的US；當U0=US時不存在過渡過程，電路直接進入穩態過程。在理論分析上，當t→∞時，過渡過程才是理論上的結束。

圖3 UC(t)變化曲線

對響應函數進行分析,經過一個τ的時間，UC(t)很快從U0下降到初值的36.8%，經過5τ的時間，此時響應已經下降到1%以下，幾乎接近為零。一般認為，當響應衰減到其初始值的5%時就到達平穩過程，這樣經過3τ的時間就能夠達到所需的穩態。此方案中選用的模擬開關為ADG706，它的內阻為2.5 Ω，典型的訪問時間為40 ns[5]。模擬開關從通道1切換到通道2時，設定通道1的輸出電阻為51 Ω，通道2的輸出電阻為200 Ω，這兩個參數的采樣等效電路如圖4。

圖4中，R1和R2分別代表通道1和通道2的輸出電阻，R為模擬開關自身的導通電阻，C為模擬開關的分布電容。由于圖4的電容是由分布參數引起的，ADG706內分布電容200 pF，因此以下分析時按照200 pF進行分析，實際情況要大于此值。根據系統設計，設置的模擬開關開通一通道的時間為200 ns，如果采樣編碼點設置在中點，那么即在約100 ns處采樣。設定通道1被測電壓為2.5 V，則當模擬開關選通道1時，其輸出的電壓對分布C充電，此時該電路可以等效為零狀態響應電路，時間常數τ1=10.7 ns。經過53.5 ns，即5τ1的時間后，則可近似認為此電壓等于參數的穩定輸出電壓。在100 ns處進行采樣，時間大于要求穩定所需的時間，因此不會影響通道1的輸出電壓。

圖4 通道切換等效電路

設定通道2的輸出電壓為1.25 V，當模擬開關從通道1切換到通道2時，分布電容C要對通道2的電路進行放電，放電時間常數τ2為40 ns。設置采樣編碼點在100 ns，100 ns相當于2.5τ2，分布電容C放電到此時被主控器采樣編碼經過5τ2的時間即200 ns大于100 ns，因此上一通道的電壓會對下一通道產生影響。放電電壓的有效幅度為1.25 V，由此可得此時分布電容的電壓UC(t)=1.25+0.071 6=1.321 6 V，其中0.071 6 V即為模擬開關由通道1切換到通道2時產生的串擾。AD7621的參考電壓為2.5 V，分辨率為62.5 μV，則將0.071 6 V編碼量化后，數字量高出正常值1 120個分層值，這是相當大的誤差。通過對比可以得出通道的穩定時間越短，對后續的電路影響越小。決定通道穩定時間的為τ，通道時間常數在同樣的測試條件下(鏈路分布電容一定)，其大小主要來自于前級的輸出電阻。

2 測試結果

通過分析得出模擬開關的穩定時間常數是產生通道串擾的主要原因。時間常數由前級的輸出阻抗R和分布電容C共同決定。但對于選定的電路，通道的分布電容C為定值，所以對電路的分析等價于對前級輸出阻抗的分析。為了對以上理論分析結果進行直觀的描述，用示波器監測模擬開關輸入端的信號波形，即監測圖4中的1、2點。通過改變電阻R1的阻值來改變前級調理電路的輸出阻抗(R1的阻值分別設置成0 Ω、51 Ω和1 kΩ)。圖5-圖7分別是在不同輸出阻抗的情況下測得的波形圖。

圖5為增加0 Ω輸出電阻時測得的波形圖，通道上升沿陡峭但是在通道切換的瞬間，出現微小的抖動；圖6為增加51 Ω輸出電阻，抖動現象緩解并且整個通頻帶的信號波形穩定；圖7為增加1 kΩ輸出電阻，可以看出在1 kΩ阻抗的情況下，采樣脈沖的上升沿出現緩變，即達到通道穩定時需要的時間增加。通過以上設置對比，可以得出:在單路輸出的情況下，隨著調理電路輸出電阻的增加，通道的穩定時間逐漸的增長。當應用在多路輸出的環境中，隨著輸出阻抗的變化，在上一通道切換到下一通道時并且在輸出電阻較大的情況下，通道穩定需要較長的時間，如果在未穩定時取樣就會對輸出結果產生影響。圖8和圖9為雙通道切換時信號的波形圖。

圖5 0 Ω阻抗波形

圖6 51 Ω阻抗波形

圖7 1 kΩ阻抗波形

圖8 通道1和通道2間串擾圖(51 Ω和200 Ω)

圖9 通道1和通道2件串擾(1 kΩ和1 kΩ)

圖8為通道間輸出電阻不同的波形圖，兩個通道的輸出電阻分別設置為51 Ω和200 Ω，可以看出輸出電壓達到穩定時需要190 ns，如果采樣點設置在190 ns以后，上一通道的信號不會影響下一通道，就不會產生通道串擾。在正常采集的情況下，如果采取中間取樣的方式，實際應用模擬開關的帶寬只有2.6 Msps，而理論上的帶寬可以達到20 Msps，這就是對模擬開關帶寬的一種浪費。圖9為兩通道輸出電阻都為1 kΩ時的波形圖，此時波形完全失真，如果按照在波形持續時間的中點取樣會造成取樣數據的不準確，必須降低采樣率以增加采樣時間。通過以上分析可以得出，較小的輸出電阻能夠使電路在切換時較快的達到穩定，較大的輸出阻抗會使通道的穩定時間增長，這樣會減小模擬開關的有效帶寬。

3 解決辦法

在對信號進行濾波和幅值的處理后，為了減小輸出電阻和增大帶負載能力，在輸出部位增加了電壓跟隨器進行阻抗變換，保證以較小的輸入阻抗進入模擬開關。實際情況，運放的輸出電阻不為理想狀態的0 Ω，設計選用AD8608，其輸出阻抗為12 Ω，阻抗很小可以認為是理想情況。為了對傳輸線的阻抗進行匹配，并且保證較小的輸出電阻，還需在跟隨器的輸出端串接51 Ω電阻，但這樣增加了模擬開關的輸入阻抗。經過分析，串接51 Ω電阻雖說增加了輸出阻抗，因為阻值很小，所以增加的穩定時間很小，并且對信號的反射有很好的抑制，不會出現尖峰抖動和振蕩的情況。經過折中，選擇進行阻抗匹配是最優的選擇。由圖6和圖7對比可以看出增加阻抗電阻尖峰脈沖得到很好的抑制。在增加阻抗匹配后，保證跟隨器后端的“清潔”，串接電阻和增加電容都會增加模擬開關通道的穩定時間。可以看出圖10中RC電路的充放電時間很短為50 ns，即與理論上20 Msps采樣率相當，在模擬開關允許的通帶內不會對下一通道產生影響[6]。當進行阻抗匹配后，采樣點設置在50 ns(如圖10)以后可以正常采集，而不進行阻抗時能夠正常采集的時間至少需要190 ns(如圖8)，對以上數據進行對比可以看出采取阻抗匹配后對模擬開關帶寬的利用率有很大的提高。

4 數據驗證

在已有平臺基礎上對串擾機理進行數據驗證，按照以上分析，傳感器信號通過調理、阻抗匹配后直接進入模擬開關。通過相應的上位機對數據進行分析，輸出阻抗為50 Ω時數據分析圖如圖11。此結果是采樣點設置在100 ns處的情況下得出。圖11中分層值跳動36個即2.25 mV，與上述組阻抗為200 Ω時跳動1 120個分層值有很較大提高，表明在已有的基礎上可以增加采樣率而不產生通道串擾。

圖10 阻抗為51 Ω的采樣波形

圖11 數據分析圖

5 結論

1) 針對通道串擾問題，建立了采集系統動態的等效電路模型，提出了消除通道串擾工程上的具體實現方法。

2) 在模擬開關的輸入端進行阻抗匹配和減小前級輸出電阻，可以很好地消除通道間的串擾問題并且節省硬件資源，對高速傳輸情況下的數據采集系統設計具有一定的參考意義，對采集的精度也有很大提高。