Микросхема коммутатор аналоговых сигналов

Обновлено: 06.07.2024

В приемнике "Урал-авто" есть линейный вход усилителя НЧ, который коммутируется обычным механическим переключателем. Хочется попробовать применить электронный коммутатор на базе микросхемы К1561КТ3.

Электронные ключи имеют как серъезные недостатки, так и полезные достоинства. К недостаткам можно отнести как конечное сопротивление открытого, так и совсем не бесконечное сопротивление закрытого ключа, а также дополнительные, пусть как правило и небольшие, вносимые ключом нелинейные искажения.

Достоинства заключаются в небольших габаритах, очень низком энергопотреблении и у некоторых серий ключей — широкий диапазон питающих напряжений (от 3 до 15 В).

Вот последнее (низкое потребление и питание от 3 вольт) меня на данном этапе и заинтересовало, поэтому посмотрим на параметры ключа К1561КТ3 при включении его как коммутатора аналоговых сигналов. Для этого соберем схему, показанную на рис. 1.

Первая неожиданность — при разомкнутом ключе переменное напряжение в КТ2 равно напряжению в КТ1 (рис. 2), хотя практически во всех описаниях ключей КТ3 указано, что при разомкнутом канале его вход замыкается на общий провод, даже приводится схема с дополнительными полевыми транзисторами на входе. Возможно в аналоге (4066А) так и есть, однако в том экземпляре КТ3 явно никакого соединения входа с землей не наблюдается. Используемый мной экземпляр микросхемы приведен на рис. 3.

Рис. 2. Форма сигнала в контрольной точке КТ2 при закрытом ключе. Рис. 2. Форма сигнала в контрольной точке КТ2 при закрытом ключе.

При закрытом ключе на выходе (КТ3) наблюдается переменное напряжение около 0,5. 0,6 мВ и частотой 1000 Гц, т. е. сопротивление закрытого ключа около 100 МОм.

При открытом ключе напряжения Uкт2 = Uкт3 = 938 мВ, форма сигнала приведена на рис. 4. Это, конечно, не значит, что сопротивление ключа в открытом состоянии равно 0, просто точности имеющегося осциллографа нехватает для измерения. С помощью мультиметра удалось получить примерную величину сопротивления открытого канала, которое составило около 500. 600 Ом.

Следует отметить, что при уменьшении сопротивления нагрузки заметно увеличиваются нелинейные искажения при напряжении питания 3 В. Например, на рис. 5 приведена форма выходного сигнала при R3 = 4,7 кОм.

Рис. 5. Форма сигнала на выходе при нагрузке 4,7 кОм и напряжении питания ключа 3 В. Рис. 5. Форма сигнала на выходе при нагрузке 4,7 кОм и напряжении питания ключа 3 В.

Искажения пропадают при увеличении напряжения питания ключа до 5 В. Т. к. предполагаю использовать коммутатор в приемнике, где нагрузкой для ключа будет служить регулятор громкости сопротивлением 47 кОм, то проблем даже при питании 3 В возникнуть вроде не должно.

И все же схема рис. 1 неудачная. И увидеть это можно, если увеличить емкость конденсаторов C1 и С2 хотя бы до 1 мкФ. Тогда, при закрытом ключе, на выходе появляется помеха, показанная на рис. 6.

Рис. 6. Помеха на выходе закрытого ключа при емкости С1 = 1 мкФ. Рис. 6. Помеха на выходе закрытого ключа при емкости С1 = 1 мкФ.

Причем кривая "плавает" — есть моменты, когда эта помеха на выходе даже пропадает. Связано появление помехи на выходе с тем, что аналоговый сигнал — двуполярный, т. е. в зависимости от действующего на данный момент заряда на конденсаторе С1, на входе закрытого ключа может появиться отрицательная (относительно общего провода) полуволна входного переменного напряжения, что и приводит к паразитному срабатыванию ключа и появлению помехи на выходе.

Поэтому правильнее "подтянуть" вход ключа примерно к половине напряжения питания (просто "подвесить" его к 3 вольтам нельзя — ключ может срабатывать уже от положительной полуволны). Тогда, при входном напряжении меньше этого смещения, потенциал входа будет оставаться в пределах напряжения питания микросхемы и, соответственно, паразитного срабатывания ключа не будет. Схема приведена на рис. 7.

В таком включении помеха на выходе закрытого ключа появляется только при достижении размаха входного аналогового сигнала (от пика до пика) 3,5 вольт (1,2 В действующего).

Конечно, такое схемное решение имеет ряд недостатков: 1) на каждый аналоговый вход надо ставить пару резисторов, 2) эти резисторы снижают входное сопротивление усилителя (хотя просто можно поставить резисторы бОльшего номинала), 3) через делитель на вход усилителя могут проникать помехи по цепям питания от самого ключа.

Впрочем, последний недостаток можно устранить (или снизить его влияние), если подключить делитель не к питанию ключа, а к выходу 2,5-вольтового стабилизатора, который был описан ранее (в этом случае, возможно, удастся обойтись всего одним резистором, "подтягивающим" вход ключа к 2,5 В). Что же касается остальных недостатков — на мой взгляд отсутствие помех вполне окупает расход резисторов.

Теперь надо переходить к следующему этапу — подключению ключа к контроллеру. Но об этом — в другой раз.


И это могло бы стать проблемой, не будь аналоговых мультиплексоров (коммутаторов, ключей)
Для примера приведена структурная схема TS5A3157 от TI

Так как он является одноканальным, то имеет всего два мультиплексируемых входа (Vnc и Vno).
Вывод Vcom — общий и всегда соединен с одним из аналоговых входов.
Вывод Vi определяет в каком состоянии будет находится «переключатель».
Мультиплексоры пропускают ток в обоих направлениях и в идеале должны вести себя как выключатель, но реальность вносит своих коррективы.
Основным элементом является MOSFET транзистор.

Благодаря низкому сопротивлению в замкнутом состоянии, высокому сопротивлению в режиме отсечки, низким токам утечки и малым паразитным емкостям, MOSFET-транзисторы с успехом используются в качестве аналоговых ключей. В портативных устройствах аналоговые мультиплексоры используются для коммутации входных и выходных сигналов. С помощью аналогового мультиплексора можно из одноканального АЦП сделать многоканальный и т.д.


Так как одноканального мультиплексора для решения возникшей проблемы мне бы не хватило, выбор пал на 74HC4052

74HC4052 — это высокоскоростная CMOS микросхема, с двумя 4-х канальными аналоговыми мультиплексируемыми-демультиплексируемыми входами.
Каждый мультиплексер имеет 4-е независимых входа/выхода (выводы nY0-nY3) и общие Common входы/выходы (выводы nZ).
Логику переключения задают выводы S0-S1 и вход управления состоянием — E.
Когда вывод E находится в LOW состоянии — один из четырех переключателей (определяют S0 и S1)приходит в активное состояние.
Когда вывод E в высоком состоянии — все переключатели находятся в высокоимпедансном состоянии, независимо от выводов S0 и S1
(на схеме в зеленных блоках — делители и стабилитроны).

Дальше из основного цикла, по прерыванию от таймера — вызываю функцию переключения каналов

И само прерывания от ADC


Получилось так:

Чтобы перевести полученный результат в вольты — применим:
VREF 2.5
АЦП 10 битное (1023)
Один отсчет — VREF/1023 = 0.0024437 V
т.е. например 114 * 0.0024437 = 0,2785818 вольта.

Аналоговые мультиплесоры в настоящее время предлагет большое количество фирм (Maxim, Analog Device, TI и пр. пр.), у каждого есть преимущества и недостатки.
Если это высокая цена — значит прибор обладает низким уровнем шума или высоким быстродействием на переключение (с низким шумом), и наоборот.
74HC4052 в этом отношении — достаточно бюджетное решение.

Строя цифровой коммутатор аналоговых сигналов, например коммутатор входов усилителя, радиолюбители обычно прибегают к мультиплексорам серии К561 (К561КП2, К561КП1). Но эти микросхемы не всегда хорошо работают в таких схемах. Дело в том, что для нормального пропускания аналоговых сигналов, без существенных искажений, эти мультиплексоры требуют подачу двуполярного питания, таким образом, чтобы коммутируемый сигнал был где-то между положительным и отрицательным полюсом питания, ближе к центру (нулю).



Кроме того, микросхемы К561 не могут без искажений коммутировать аналоговые сигналы, нагружаемые на низкое входное сопротивление, например, эти микросхемы затруднительно использовать в коммутаторах видеосигналов, потому что, во-первых, входное сопротивление видеовхода видеомагнитофона обычно равно 75 Ом (что даже меньше сопротивления открытого канала), а во-вторых, видеосигнал занимает широкую полосу частот с максимальной частотой около 5 МГц. На таких частотах микросхемы КМОП вообще не желают работать. Либо сильно искажают сигнал.

Для коммутации аналоговых сигналов существуют специализированные микросхемы, одна из которых BA7604N. Микросхема содержит два переключателя на два положения каждый и линейные усилители с коэффициентом передачи, равном 1. Эта микросхема способна работать на низкоомную нагрузку, и имеет почти линейную характеристику в широком частотном диапазоне (50 Гц - 6 МГц). Питается однополярным источником напряжением 5 В, и предназначена для переключения аналоговых сигналов размахом до 2 В.

Микросхема BA7604N предназначена для работы в устройстве сопряжения телевизора и видеомагнитофона. На изображении выше показана её типовая схема включения, в которой она переключает два источника видеосигнала и два источника аудиосигнала. Или же, два стереоканала на два положения, все зависит от конкретного использования. Управление происходит изменением логических уровней на выводах 4 и 1. Если "единица" (5В), то ключи будут в верхнем (по схеме) положении, если нуль — в нижнем.

В реальных условиях может потребоваться двухканальный коммутатор аналоговых сигналов на большее число положений, например на четыре положения. На рисунке 2 показан такой вариант коммутатора, в нем используются три микросхемы BA7604N. Общее число входов — четыре, разбито на две группы по два входа в каждой, и в этих группах переключают сигналы две микросхемы, а третья микросхема переключает сами эти группы. Управление производится подачей десятичного кода на управляющие входы "1-4".

При единице на входе "1" сигналы поступают с разъема Х1 через ключи микросхемы А1, поскольку присутствует логическая единица на выводах 4 и 7 этой микросхемы. Одновременно через диод VD2 логическая единица поступает на выводы 4 и 7 микросхемы A3 ключи которой переходят в верхнее (по схеме) положение, и на A3 поступают сигналы с выходов А1. В результате на выходы коммутатора походят сигналы с разъема Х1.

При единице на управляющем входе "2", на выводы 4 и 7 А1 поступают нули и ключи этой микросхемы переходят в нижнее (по схеме) положение, подключая сигналы, поступающие от разъема Х2. В то же время, через диод VD2 единица поступает на выводы 4 и 7 A3, и A3 остается в том же положении, что и при подаче единицы на управляющий вход "1". При этом сигналы от Х2 проходят через А1 и поступают на A3, и, таким образом, сигналы с Х2 проходят на выход коммутатора.

При подаче единицы на управляющий вход "3", ключи микросхемы А2 переходят в верхнее (по схеме) положение и принимает сигналы от разъема Х3. При этом, логический уровень на выводы 4 и 7 A3 не поступает, и через резистор R1 на эти выводы подается уровень логического нуля. Микросхема A3 переводит сбои ключи в нижнее (по схеме) положение, и принимает сигналы с выхода микросхемы А2. Таким образом, сигналы с разъема Х3 поступают на выход коммутатора.

При подаче единицы на вход управления "4" единицы вообще на схему не поступают (можно исключить вход управления "4", — просто на все остальные входы, для включения входа Х4, подавать нули). При этом, ключи всех трех микросхем будут находится в нижних (по схеме) положениях. А это приведет к тому, что, сигналы от разъема Х4 через микросхему А2 поступят на вход микросхемы A3, а с неё на выход коммутатора.

Коммутатор питается напряжением 5V, и не требует отрицательного (двуполярного) источника питания.
При конструировании коммутаторов на основе микросхем ВА7604Г'' нужно учитывать, что в отличие от ключей или мультиплексоров на микросхемах КМОП (К561, К1561), эти коммутаторы могут пропускать сигнал только в одну сторону, — с входов на выход, а не в любом направлении, как мультиплексоры и ключи КМОП.

Коммутаторы BA7604N не работают как эквивалент механического переключателя. К тому же величина размаха входного сигнала ограничена значением 2 В. Тем не менее, эти микросхемы можно использовать и для коммутации импульсного сигнала (в принципе, видеосигнал, это и есть импульсный сигнал), но не превышая 2 В.

Для управления коммутатором требуется устройство на микросхемах КМОП, которое будет выдавать десятичный код, в зависимости от нажатия на сенсор, или по команде от другого устройства.

При конструировании сложных устройств и систем автоматики и телемеханики очень удобно применять коммутаторы цифровых и аналоговых сигналов.

Микросхемы К176КТ1 и К561КТЗ - это четырехканальные коммутаторы цифровых и аналоговых сигна­лов, которые имеют одинаковую функциональную схему и цоколевку (рис .1).


Каждый ключ имеет вход и выход сигнала, а также вход разрешения прохождения сигна­ла DE . Эквивалентная схема ключа в К176КТ1 - одно­полюсная, т.е. только на замыкание электронного кон­такта. Здесь управляющей "кнопкой" служит вход DE . В К561КТЗ - ключ двойной, оппозитивный: когда проходной канал разомкнут, вход заземляется, если канал замкнут, вход его отмыкается от нуля напряже­ния. Управляются оба "контакта" также от одного входа DE . Активный уровень на входе DE , замыкающий канал, для КТ1 и КТЗ одинаковый - высокий.

Канал проводимости в этих комму­таторах двунаправленный.

Микросхемы К561КП2 (рис. 2) и К561КП1 (рис. 3) - мультиплексоры- демультиплексоры.



Мультиплексор - это операционный узел, имеющий несколько информаци­онных D -входов и один выход DO и осу­ществляющий последовательное под­ключение этих входов к выходу в со­ответствии с адресным кодом, посту­пающим на дополнительные (адрес­ные) входы.

Демультиплексор восстанавливает мультиплексированную информацию: в соответствии с принятым адресом он направляет сигнал со входа D на вы­ход DO .

Микросхема К561КП2 имеет восемь входов и один выход; у микросхемы К561КП1 те же восемь каналов орга­низованы как четырехканальный диф­ ференциальный коммутатор. Обе микросхемы могут коммутировать цифровые и аналоговые сигналы. Мик­росхемы имеют два вывода питания: положительное 11и.п. подается на вывод 16, на вывод 7 может быть по­дано отрицательное напряжение - Un . n .

Восьмиканальный вариант (К561КП2) управляется трехразрядным входным кодом (А, В, С), четырехраз­рядный - двухразрядным кодом (А, В). Обе схемы име­ют вход разрешения DE . Если на нем присутствует вы­сокий уровень, все каналы размыкаются. Номер вклю­ченного канала, соответствующий коду входов, можно определить по таблице 1.



1. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь. 1989 г.

Читайте также: