【应用】CD4051八选一模拟开关在绝缘电阻测试仪中的设计应用

时间： 2019-07-19 来源：上海国芯

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绝缘电阻测试仪是专门用来测量电气设备绝缘电阻的仪器，进而判断绝缘电阻是否满足要求。测试仪的基本方法是通过仪器，准确测量电气设备在高压作用时的泄漏电流。通常仪器会以显示电阻值的方式，来直观判断被测绝缘电阻的性能好坏。高压绝缘电阻测试仪的硬件电路一般可以分为三个部分，即电源模块、信号采集电路、控制处理系统，系统框图如下所示。其中电源模块由高压直流电源模块、DC-DC 模块、12V 聚合物锂电池组成，为整个装置内的各种电子元器件提供工作电源，并为绝缘电阻测试工作提供高压测试电源。

图1 绝缘电阻测试仪的系统框图

根据图1可知，高压直流电源模块是绝缘电阻测试仪设计的重要环节。根据产品的设计要求，测试人员通过按键，选择需要进行测试的电压，可选项包括500V、1000V、2500V，5000V。这里，电源模块的电压输出，是通过外部输入模拟电压进行控制的。基准参考电压为5V，当调整端输入的电压为0V 时，高压直流电源模块输出电压为0V；当调整端输入的电压是5V 时，高压直流电源模块输出电压是5000V。为使高压直流电源模块能及时可靠的输出500V、1000V、2500V 和5000V 四种电压，可以根据用户需要选择要输出的电压等级，在调整端的前段预先生成0.5V、1V、2.5V和5V 的电压，然后再采用多路开关，来选择输入调整端的电压等级。这里，多路开关用于实现电源模块不同电压等级的输出。

对于高压电源的不同电压等级输出方案，有手动调节，DA转换和多路选择开关等几种方案可供选择。由于高压电源的输出电压波动在一定范围内，而多路开关比专用 DA 芯片要便宜的多，并且对高压电源输出的采样，可以和被测设备的取样采用同一路AD，这样既可以节省单片机的外部接口，同时也降低了成本，所以在高压电源的控制上，推荐选用多路开关加高压输出取样的方式。

这里选择上海国芯的CD4051，作为选择调整端电压等级的多路开关。CD4051是一个八选一模拟开关，供电电压范围在5~15V。模拟开关具有很宽的数字控制与传输模拟信号电压范围：幅值为4.5V～18V 的数字信号可控制峰峰值为18V的模拟信号。这里的峰峰值18V指范围，如VDD=+5V，VSS=0V，VEE=-13.5V，则0~5V的数字信号可控制-13.5～4.5V范围的模拟信号。同时，典型的导通电阻只有80欧姆，具有低导通电阻和很低的截止漏电流。多路开关低功耗的特点非常适合在电路设计中采用，避免电阻测试仪频繁更换电池的问题，进一步提升用户体验。

图2 CD4051八选一模拟开关管脚说明

开关的主要特征如下：

很宽的数字控制与传输模拟信号电压范围：幅值为4.5V～18V 的数字信号可控制峰峰值为18V的模拟信号；

低导通电阻：80Ω（VDD-VEE=15V，信号大于15Vpp）；

极低的静态电压功耗；

高关态电阻；

数字地址信号4.5V～18V的逻辑电平转换，来开关模拟信号18Vpp；

内置二进制地址解码器。

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