CN1089969C - 多路转换器 - Google Patents

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Abstract

一种多路转换器，包括三个开关单元，每一单元的一个端子连接到每一个信号端口上，另一端子连接到第四开关单元上。通过被选择的信号端口输入的信号依靠第四开关单元的操作，从另一信号端口输出到外部。

Description

多路转换器
本发明涉及多路转换器，更具体地说，涉及可以选择一个或多个输入信号信号端口的多路转换器。
通常，单片机上带有多个输入端口，用于接受信号，还有一个内装多路转换器，用于交替地从输入端口中选择一个端口。选中的信号输入端口上的信号被输入内部电路。
图1为现有单片机的安放图，参考图1对电路图进行说明。
单片机M上带有信号输入端口AN0，AN1…ANn-2和ANn-1，每一个端口分别连接到开关元件S0至Sn-1的一个端子上。开关元件的其它端子则如图1所示，在一点上连接到模/数变换器(A/D变换器)1上。这样，开关元件S0至Sn-1构成一个多路转换器。
A/D变换器1转换由于开关元件S0至Sn-1的接通或开断所选中的输入端口AN0至ANn-1中的任何一个端口上的模拟信号。A/D变换器1的高精度进行输入信号的A/D变换，该输入信号具有由电源电压和其它因素预先规定的最佳电位幅值。
图1为一个要被转换为数字信号的模拟信号(以下称为“目标模拟信号”)输入到单片机M的端口AN0至ANn-1中任何一个端口的情况。如果输入到输入端口AN1和ANn-2上的每一个目标模拟信号的幅值比最佳电位幅值小，利用连接到输入端口AN1和ANn-2上的做为外部电路元件的模拟量放大器51和52，模拟信号输入其上，将较小的幅值放大到最佳值，如图2所示。模拟量放大器51和52由用户负担安装的。这样，输入到输入端口AN0，AN1…ANn-2和ANn-1上的全部模拟信号可以以最佳电位幅值，输入到模/数变换器1上。
在每一输入端口上增加附加模拟量放大器，使产品价格增加。此外，必须根据模拟信号的幅值，将每一个模拟量放大器的幅值精确地调节到最佳值，这样的精确调节是费钱的。单片机用户必须承担涉及安装模拟量放大器以及调整幅值的全部费用。
为了节省调整由用户增加的模拟量放大器的幅值的费用，有如图3所示的建议方案。图中有一只与输入端口AN1单独连接的模拟量放大器5，多路转换器11在外部与模拟量放大器5连接，它选择具有相对小幅值的模拟信号，输入到模拟量放大器5中去。
这一建议方案的优点是不必要精心调节幅值，但是，它的缺点是需要有一个多路转换器作为外部电路元件。因此，用户必须要控制两个多路转换器—一个外部多路转换器和一个单片机的内部多路转换器。结果是使选择目标模拟信号变得复杂。降低基于单片机的设备的生产费用是困难的。
本发明的目的是解决上面所讨论的问题。本发明的基本目的在于提供一种多路转换器，它能够将输入到一个选定信号端口上的信号输出到其它信号端口上。
根据本发明的一个方面提供了一种多路转换器，它包括多个第一信号端口；一个第二信号端口；一个第三信号端口；多个第一开关单元，用来从第一信号端口中选择一个信号端口，每一个第一开关单元有一个第一端子连接到每个第一信号端口，以及一个第二端子；一个第二开关单元，它的一个第一端子连接到第二信号端口，一个第二端子连接到每一个第一开关单元的第二端子；一个第三开关单元，它的一个第一端子连接到第三信号端口；一个第四开关单元，它接于每一个第一和第二开关单元的第二端子和第三开关单元的第二端子之间，为响应第二和第三开关单元之闭合，第四开关单元是打开的。
为响应第四开关单元闭合时，第一、第二和第三开关单元中的任何一个开关均闭合，从而选中与闭合开关单元连接的信号端口上的信号。当第四开关单元打开时，第二和第三开关单元以及第一开关单元中的一个开关闭合。这样，使连接到闭合的第一开关单元上的信号端口与连接到第二开关单元上的信号端口短路。然后，选中连接到第二和第三开关单元上的信号端口，作为所希望电路的连接端口。
根据本发明的另外一个方面，提供一个多路转换器，它包括有多个第一信号端口；一个第二信号端口；多个电路块，每一电路块包括：多个第一开关单元，从第一信号端口中选中一个信号端口，每一个第一开关单元的第一端子连接到每一个第一信号端口上；一个第二开关单元，它的第一端子连接到第二信号端口上，一个第二端子连接到第一开关单元的每一个第二端子上；一个第三开关单元，它的第一端子连接到第一和第二开关单元的每一个第二端子上，响应于第二开关单元的闭合而打开；一个第三信号端口；一个第四开关单元，它的第一端子连接到第三信号端口上，一个第二端子连接到一个电路块上第三开关单元的第二端子上，其中，同一电路块上的第三开关单元有一个第一端子连接到另一电路块上第三开关单元的第二端子上；第四开关单元响应首先提到的那块电路块上第三开关单元打开而闭合。
例如，假设有第一电路块和第二电路块，并且假设第一电路块直接到第四开关单元上，第二电路块连接到第一电路块上。在这种情况下，当第二电路块上的第三开关单元闭合时，第二电路块上的第一开关单元，或者是第二开关单元闭合。这样，连接到闭合开关单元上的信号端口便被选中，作为第一电路块上第三开关单元的连接端口。当第一电路块上第三开关单元闭合时，第一电路块上的第一开关单元，或者是第二开关单元闭合。这样，连接到闭合开关单元上的信号端口便被选中，作为所希望电路的连接端口。当一个电路块上的第三开关单元打开时，同一电路块上的第二开关单元闭合时，并且如果同一电路块上的任何一个第一开关单元闭合，连接到闭合的第一开关单元上的信号端口与连接到第二开关单元上的信号端口短路。此时，如果第四开关单元闭合，则连接到第四开关单元的信号端口被选中，作为所希望电路的连接端口。
这样，全部电路块中任何一个信号端口被交替地选中。输入到每一电路块上任何一个信号端口上的信号可以输出到同一电路块上其它信号端口上。
根据本发明的另一个方面，多路转换器包括有多个第一信号端口；一个第二信号端口；多个电路块，每一电路块包括：多个第一开关单元，它从第一信号端口中选中一个信号端口，每一个第一开关单元的第一端子连接到每一个第一信号端口上；一个第二开关单元，它的第一端子连接到第二信号端口上，一个第二端子连接到每一个第一开关单元的第二端子上；一个第三开关单元，它的第一端子连接到每一个第一和第二开关单元的第二端子上，响应第二开关单元闭合而打开；一个第三信号端口；一个第四开关单元，它的第一端子连接到第三信号端口上，第二端子连接到第三开关单元的每一个第二端子上，其中，响应全部电路块上第三开关单元的打开，第四开关单元闭合。
当一块电路块上第四开关单元闭合，同一电路块上的第一开关单元，或者第二开关单元闭合。连接到闭合的开关单元上的信号端口便被选中，作为所希望电路的连接端口。如果一个电路块上的第三开关单元打开，则第二开关单元闭合。如果全部电路块上第三开关单元打开，则第四开关单元闭合。如果一个电路块上任何一个第一开关单元闭合，则连接到该闭合的第一开关单元上的信号端口与连接到第二开关端子上的信号端口短路，连接到第四开关单元上的信号端口则被选中.作为所希望电路的连接端口。
这样一来，全部电路块中任何一个信号端口被交替地选中。输入到每一电路块上选中信号端口中的信号可以输入到同一电路块上的其它信号端口。
借助于附图，通过以下的详细说明，本发明的上述和更进一步目的及特点将会更加清楚。
图1所示为带有常规内装多路转换器的现有单片机的结构；
图2所示为现有微机结构的一个实例；
图3所示为现有微机结构的另一个实例；
图4所示为带有根据本发明的内装多路转换器的单片机结构；
图5为方块图，所示为图4中微机结构的一个例子；
图6为方块图，所示为图4中微机结构的另一个例子；
图7为方块图，所示为图4中微机结构的又一个例子；
图8为方块图，所示为带有根据本发明内部多路转换器的改进型的单片机的结构；
图9为方块图，所示为图8中微机结构的例子；
图10为方块图，所示为带有进一步改进的根据本发明多路转换器的单片机的结构。
以下将参考示出本发明的实施例的图来详细叙述本发明。
参考图4，单片机M(以下称为“微机M”)带有信号端口AN0，AN1…ANn-3、ANn-2和ANn-1，信号通过这些端口输入或输出。信号端口AN1连接到作为第一单元的开关元件S0的一端上。同样地，信号端口AN1到ANn-3分别地连接到作为第一单元的开关元件S1到Sn-3的一个端子上。信号端口ANn-2连接到作为第二单元的开关元件Sn-2的一个端子上。端口ANn-1连接到作为第三单元的开关元件Sn-1的一个端子上。开关元件S0到Sn-2的其它端子连接到公共节点41，公共节点41又连接到作为第四单元的第四开关元件2S的一个端子上。第四开关元件2S的另一端子和开关元件Sn-1的另一端子相互连接，同时又共同连接到A/D变换器1的输入端子上。开关元件S0到Sn-1和2S组成多路转换器，控制它使开关元件2S的打开使开关元件Sn-2和Sn-1闭合。
参考图5，叙述带有这类内装多路转换器的微机M的使用方法。
如果被输入到微机M中的模拟信号幅值小于A/D变换器所确定的最佳值，模拟量放大器5便接于信号端口ANn-2和ANn-1之间，如图5所示。在这种情况下，信号端口AN0到ANn-3和ANn-1为输入端口，而信号端口ANn-2为输出端口。
例如，如果幅值小于最佳值的模拟信号输入到信号端口AN1，开关元件2S便打开，接着，开关元件Sn-2和Sn-1闭合。当开关元件S1闭合时，信号端口AN1上的模拟信号通过开关元件S1和Sn-2，输出到信号端口ANn-2，并直输入到模拟量放大器5，使它的幅值放大，达到最佳值。放大了的模拟信号输入到信号端口ANn-1，并且通过开关元件Sn-1，输入到A/D变换器1。用这样方式保证A/D变换的精度。
如果幅值等于最佳值的模拟信号输入到任何一个端口，例如端口AN0，开关元件2S闭合，而开关元件Sn-1打开。此时，开关元件S0，S1到Sn-3中之一，例如开关元件S0关闭。输入到信号端口AN0的模拟信号通过开关元件S0和2S输入到A/D变换器1。这样，模拟信号被高精度转换为数字信号。
以上叙述证明，单个模拟放大器5从外部与微机M相连接，即使当幅值比A/D变换器1的最佳值小或者相等时，也能使模拟信号平滑地输入微机M。这样一来，可以使与微机相连的模拟量放大器数目为最少，同时还可以省去对模拟量放大器幅值调整的麻烦。通过开关元件S1到Sn-1和2S的打开和闭合，就能够选择模拟信号，所以，就能于便地控制开关元件的打开和闭合，同时很方便地选择模拟信号。
在制造微机时，A/D变换器和多路转换器必须进行测试。一种测试方法是将模拟信号输入到信号端口AN0，使得同一量通过开关元件2S输入到A/D变换器1中。通过A/D变换的结果可以检查A/D变换器的性能。检查多路转换器的一个例子是将开关元件2S打开，开关元件S0和S1闭合，从而将模拟信号输入到信号端口AN0，模拟信号又从此输出到信号端口AN1。通过比较输入和输出的两个模拟信号的幅值，可以检查多路转换器的性能。多路转换器的测试不需要由A/D变换器进行A/D变换过程，因而缩短了多路转换器的测试时间。对于A/D变换器和多路转换器，在相对很短的时间中便可以结束测试工作。
参考图6，图中相同的标号表示与图4中相同的元件和部件，以下叙述带有本发明多路转换器的微机的另一个实例。
微机M装有计时信号端口TIM，它与微机M的内装计时器6相连接。除了这点以外，微机M的结构与图4中所示的微机相同。当输入到A/D变换器1中的模拟信号为单个信号时，便采用这一类微机M。
本例中微机M用法如下：
如图6所示，信号端口ANn-2和计时信号端口T1M在微机M外部相互连接，其中开关元件2S为常开，开关元件Sn-2和Sn-1为常闭。这时候，如果有一模拟信号输入到信号端口ANn-1，所产生的模拟信号便通过开关元件Sn-1固定地输入到A/D变换器1，进行A/D变换。这样，模拟信号便转换为数字信号。开关元件S0，S1到Sn-3和Sn-2起到多路转换器的功能，选择一个数字信号送入计时器6。更具体地说，开关元件Sn-2为常闭，对应于信号端口AN0到ANn-3的开关元件S0到Sn-3中任意一个为闭合。这一状态能够交替地选中输入到信号端口AN0到ANn-3中的不同数字信号，并将其输入到计时信号端口TIM中。数字信号输入计时器6，由计时器6计算输入数字信号的脉冲数目，用以测量计数值达到预定值的时间段。
本实施例的实例优点在于计时器6，仅利用3条A/D变换器1不用的每个信号端口，增加了由计时器6计数的数字信号通道数，但是并不增加微机M外部的新电路，从而拓宽了微机的应用范围。
参考图7，图中相同的标号表示与图4中相同的元件和部件，微机M带有串行时钟端口SIOclk和串行数据端口SIOtxd，它们分别在时钟输出端子以及在串行数据端子上与串行输入/输出电路7相连接。在这一例子中，输入到A/D变换器1的模拟信号也是单一的。
微机M的用法如下：
微机M通过信号端口AN0和AN1连接到外部单片机81和82上，从微机M向每一个外部微机81或82传送数据。串行时钟端口SIOclk和信号端口ANn-2在外部相互连接。串行数据端口SIOtxd连接到外部微机81和82的相应输入端口上。在这种情况下，信号端口ANn-2和ANn-1起到信号输入端口的作用，信号端口AN0和AN1到ANn-3，串行时钟端口SIOclk和串行数据端口SIOtxd起到信号输出端口的功能。
开关元件2S打开，开关元件Sn-2和Sn-1均闭合。开关元件S0也闭合。这样，串行输入/输出电路7向微机81输出一串行时钟，微机81与输入的串行时钟同步地采样并保持从串行数据端口SIOtxd来的数据。当串行时钟的传输暂停(is suspended)时(也就是电位固定)，从串行数据端口SIOtxd的数据采样也暂停。
通过开关元件2S常开，开关元件Sn-3常闭，以及对应于信号端口AN0和AN1到ANn-3的开关元件S0和S1到Sn-3中任意一个元件的关闭，将串行时钟输出。这样一来，由A/D变换器不用的信号端口组成一个多路转换器，串行时钟有选择性地供给外部微机81，82或信号端口ANn-3。根据这一实例，接受从串行输入/输出电路7所输出数据的微机M的个数可以增加，但是并不增加微机M外部的额外电路，从而使微机M得到广泛的应用。
参考图8，微机M带有由多个信号端口AN0…加上单个信号端口ANm-1组成的第一组信号端口，以及有由多个信号端口ANm到ANn-3加上两个单元信号端口ANn-2和ANn-1组成的第二组信号端口。信号端口AN0…连接到作为第一单元的开关元件AS0…的一个端子，信号端口ANm-1连接到作为第二单元的开关元件ASm-1的一个端子。
进一步地，信号端口ANm…和ANn-3连接到作为第一单元的开关元件BSm…BSn-3的一个端子上，信号端口ANn-2连接到作为第二单元的开关元件BSn-2的一个端子。信号端口ANn-1连接到作为第四单元的开关元件BSn-1的一个端子。
开关元件AS0到ASm-1的其它端子连接到节点42，开关元件BSm到BSn-3和BSn-1的其它端子连接到节点41。开关元件A2S作为第三单元，接于节点41和42之间。开关元件BSn-1的另一端子通过第三单元开关元件B2S连接到节点41上，这便意味着开关元件BSn-1直接连接到A/D变换器的输入端上。控制使得当开关元件A2S打开，开关元件ASm-1闭合，并且当开关元件B2S打开时，开关元件BSn-2闭合。
由信号端口AN0…和ANm-1，开关元件AS0…和ASm-1，以及开关元件A2S组成一个电路块，由信号端口ANm…和ANn-2，开关元件BSm…BSn-2，以及开关元件B2S组成另一个电路块。
本实例的微机用法如下：
图8所示为幅值接近于A/D变换器1所规定的最佳值的一个模拟信号输入到信号端口AN0中的情况。此时，开关元件AS0，A2S和B2S闭合，输入到信号端口AN0的模拟信号输入到A/D变换器1，因而使模拟信号被高精度转换为数字信号。
如果在A/D变换器中被转换的模拟信号幅值小于A/D变换器所规定的最佳值，模拟放大器的幅值根据每一个模拟信号变化这一电路的结构最好如图9所示。
现在参考图9，微机M外部装备有电阻91，92和93，用于调整幅值，还装备有一个运算放大器10。
信号端口AN0通过电阻91连接于运算放大器10的输出端口10a上，信号端口AN1通过电阻92连接于运算放大器10的输出端口10a上。运算放大器10的输出端口10a连接于信号端口ANn-1上。信号端口ANm-1通过电阻93接地，并且直接连接于运算放大器10的反相输入端口(一)，而信号端口ANn-2连接于运算放大器10的非反相输入端(+)。这样，信号端口AN0，AN1，ANm…，ANn-3和ANn-1起输入端口的作用，而信号端口ANm-1，和ANn-2起输出端口的作用。由此可见，运算放大器10和调整幅值用的电阻91，92和93组成一个非反相放大器，该放大器组成模拟放大器。
当输入到信号端口ANm的模拟信号幅值低于最佳值时，开关元件A2S和B2S打开，接着开关元件ASm-1和BSn-2闭合，开关元件AS0和BSm闭合。输入到信号端口ANm模拟信号通过开关元件BSm和BSn-2输出到信号端口ANn-2，并且输入到运算放大器10的非反相输入端(+)。模拟信号通过组成非反相放大器的运算放大器10和电阻91和93放大，直到达到A/D变换器1所规定的最佳幅值。然后，模拟信号通过信号端口ANn-1输入到A/D变换器1，从而，模拟信号以高精度进行A/D变换。
根据电阻91和93的电阻比来调整非反相放大器的幅值率。为了改变幅值率，开关元件AS0打开，开关元件AS1闭合，从而，由运算放大器10和幅值调整电阻92和93组成一个非反相放大器。当模拟信号的幅值为最佳值，它可以直接地输入A/D变换器，而不通过运算放大器10，开关元件B2S便闭合，而开关元件BSn-1打开。这样，模拟信号不被放大就直接地输入A/D变换器1。
在不必需P2改变幅值率的时候，不使用信号端口AN0，AN1和ANm-1。此时，如果开关元件A2S闭合，这些信号端口可以被用作为多路转换器，它交替地选择输入到任一个信号端口AN0，AN1，ANm-1，ANm…和ANn-3中的模拟信号。
如图9所示，在使用微机的时候，可能出现幅值不同的多个模拟信号输入的情况。根据本发明，微机M带有单个外部模拟放大器便足够了。它比起需要几个放大器的常规微机来说要优越。由开关元件AS0，AS1，ASm-1，A2S和B2S的打开和关闭，达到模拟信号的选择和通过放大器的幅值调整。从而简化了控制过程。
图9中，节点41和42通过开关元件A2S相互连接，但是，节点42可以通过开关元件A2S，连接到开关元件BSn-1，B2S和A/D变换器1的中间点。这样组成的多路转换器如图10所示，其中相同的标号表示与图9中相同的元件和部件，并且省去叙述说明。也可以并联开关元件AS0…ASm-1，A2S的电路块与开关元件BSm…BSn-3，BSn-2和B2S的电路块，得到相同的效果。在这种情况下，当开关元件A2S和B2S均打开时，开关元件BSn-1打开。
在以上的叙述中，多路转换器是装在微机内部的，但是，实施例并不局限于此。
在所示的实施例中，模拟信号被多路转换器选中，并且输入A/D变换器，本发明还用在模拟信号输入到放大器或控制电路中，可以得到同样的效果。
根据本发明的多路转换器，交替地选择多个信号端口中任何一个来选择单一信号，所选中的信号可以输出到其它信号端口。多路转换器的性能可以在短时期中进行测试，并不需要运行由多路转换器选中的信号所传输的设备的电路，从而，缩短了多路转换器和信号传输电路的性能测试时间。当本发明的多路转换器是在单片机内部时，可以减少像放大器那种安装在单片机外部的外部设备数目，从而降低用户承担的费用。安装较少的外部电路使调整和维护简化。这也导致降低费用。
进而，本发明的多路转移器允许更多的信号向它输入和从它输出，这意味着增加了信号通道的数目。其结果是使多路转换器可以得到更多的应用。
由于这一发明可以用多种形式来实施，均不离开它的基本特征的精神，因而，实施例作为一种例子，是说明式的而非限制式的。由于本发明的范围是由所附的权利要求来限定，而不是用前面的叙述，因而，在权利要求限制范围以内的各种变化，或者是与限制范围等价均被权利要求所包括。

Claims (4)

1.一种多路转换器，用于交替地选择多个信号，它包括有：
多个第一信号端口；
一个第二信号端口；
一个第三信号端口；
多个第一开关单元，用于从第一信号端口中选择一个端口，每一个第一开关单元的第一端子连接到每一个第一信号端口和第二信号端口上；
一个第二开关单元，它的第一端子连接到第二信号端口上，第二端子连接到每一个第一开关单元的第二端子上；
一个第三开关单元，它的第一端子连接到第三信号端口上，还有一个第二端子；
一个第四开关单元，它接于每一个第一和第二开关单元的第二端子和第三开关单元的第二端子之间；
其中，第四开关单元响应第二和第三开关单元闭合而打开。
2.根据权利要求1的多路转换器，其中，由第一开关单元交替地选择通过第一信号端口输入的信号从第二信号端口输出到多路转换器外部，又通过第三信号端口响应第四开关单元的打开而输入。
3.根据权利要求1的多路转换器，进而包括一个第四信号端口，其中，由第一开关单元交替地选择通过第一信号端口输入的信号从第二信号端口输出到多路转换器外部，又响应第四开关单元的打开通过第四信号端口输入。
4.根据权利要求1的多路转换器，其中，多路转换器连接到与每一个第一信号端口相连的多个外部设备上，还附带有一个第四信号端口，其中，信号从第四信号端口输出到多路转换器的外部，它通过第二信号端口被重新输入以后，又响应第四开关单元的打开输出到被第一开关单元交替地选中的第一信号端口所连接的外部设备中。
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