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cd4051典型應(yīng)用電路圖
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CD4051典型應(yīng)用電路圖及其詳細(xì)解析
CD4051是一款單片8通道模擬多路復(fù)用器/解復(fù)用器，屬于CD4000系列CMOS集成電路。它以其低功耗、寬電源電壓范圍、高阻抗輸入和低導(dǎo)通電阻等特性，在模擬信號(hào)選擇、數(shù)據(jù)采集、波形發(fā)生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文將深入探討CD4051的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)以及多種典型應(yīng)用電路，旨在為讀者提供一個(gè)全面而詳盡的理解，并展示其在實(shí)際工程中的巨大潛力。
一、CD4051工作原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)
CD4051的核心功能是根據(jù)數(shù)字地址輸入信號(hào)，選擇8個(gè)模擬輸入/輸出（I/O）通道中的一個(gè)，并將其連接到公共的模擬I/O端。這種選擇是通過(guò)內(nèi)部的CMOS模擬開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)的。
1.1 工作原理
CD4051內(nèi)部包含8個(gè)CMOS模擬開關(guān)，每個(gè)開關(guān)都由一對(duì)互補(bǔ)的MOSFET（一個(gè)N溝道和一個(gè)P溝道）構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，N溝道和P溝道MOSFET同時(shí)導(dǎo)通，提供一個(gè)低阻抗通路，從而將選定的模擬輸入信號(hào)傳遞到公共輸出端，或者將公共輸入信號(hào)分配到選定的模擬輸出端。當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，MOSFET處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，有效地隔離了未選定的通道。
CD4051通過(guò)三個(gè)數(shù)字地址輸入端（A0、A1、A2）來(lái)控制哪個(gè)模擬通道被選中。這三個(gè)地址線可以組合成23=8種不同的二進(jìn)制編碼，每種編碼對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的模擬通道。例如，當(dāng)A2A1A0 = 000時(shí)，通道C0被選中；當(dāng)A2A1A0 = 111時(shí)，通道C7被選中。
除了地址輸入端，CD4051還設(shè)有一個(gè)使能（INH）輸入端。當(dāng)INH為高電平（邏輯“1”）時(shí)，所有模擬開關(guān)都處于截止?fàn)顟B(tài)，即多路復(fù)用器被禁用，公共I/O端與所有通道斷開連接。當(dāng)INH為低電平（邏輯“0”）時(shí)，多路復(fù)用器正常工作，根據(jù)地址輸入選擇通道。這個(gè)使能端為系統(tǒng)提供了靈活的控制能力，可以方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)多路復(fù)用器的級(jí)聯(lián)或者在特定時(shí)間禁用模擬信號(hào)的傳輸。
電源方面，CD4051需要正電源（V_DD）和負(fù)電源（V_SS），以及一個(gè)地線（V_EE）。對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸，通常$V_{DD}和V_{EE}之間會(huì)提供模擬信號(hào)的工作電壓范圍，而數(shù)字控制部分則由V_{DD}和V_{SS}$供電。在單電源供電的情況下，$V\_{SS}$通常連接到地，此時(shí)模擬信號(hào)的范圍限制在$V\_{EE}$到$V\_{DD}$之間。在雙電源供電（例如$pm 5V$）的情況下，$V_{EE}$連接到負(fù)電源，則可以處理正負(fù)模擬信號(hào)。
1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看，CD4051主要由以下幾個(gè)部分組成：
地址解碼器： 這是一個(gè)3位到8線的解碼器，負(fù)責(zé)將數(shù)字地址輸入（A0, A1, A2）轉(zhuǎn)換為8個(gè)獨(dú)立的控制信號(hào)，每個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬開關(guān)。
模擬開關(guān)陣列： 這是CD4051的核心部分，由8個(gè)獨(dú)立的CMOS模擬開關(guān)組成。每個(gè)開關(guān)的通斷由地址解碼器產(chǎn)生的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)。
使能控制邏輯： 這個(gè)邏輯電路負(fù)責(zé)處理INH輸入，當(dāng)INH為高電平時(shí)，它會(huì)強(qiáng)制所有模擬開關(guān)斷開，無(wú)論地址輸入如何。
電源和地連接： V_DD、 $V_{SS}和V_{EE}$提供IC正常工作所需的電源。
這些內(nèi)部組件協(xié)同工作，使得CD4051能夠根據(jù)數(shù)字指令精確地選擇和路由模擬信號(hào)。其CMOS工藝確保了低功耗，這對(duì)于電池供電系統(tǒng)和對(duì)功耗敏感的應(yīng)用尤為重要。
二、CD4051關(guān)鍵參數(shù)解析
理解CD4051的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于正確選擇和應(yīng)用該器件至關(guān)重要。
電源電壓范圍 (V_DD - V_SS): CD4051的數(shù)字供電電壓范圍通常為3V至15V。這意味著它可以兼容多種邏輯電平，如3.3V TTL/CMOS、5V TTL/CMOS等。
模擬電壓范圍 (V_DD - V_EE): 這是模擬信號(hào)可以工作的電壓范圍，通常為$pm 7.5V$。對(duì)于單電源供電，如果$V\_{SS}$接GND，則模擬信號(hào)范圍為$0V$到V_DD。
導(dǎo)通電阻 (R_ON): 這是模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電阻，通常在幾十歐姆到幾百歐姆之間，具體取決于電源電壓和模擬信號(hào)的幅度。較低的導(dǎo)通電阻意味著更小的信號(hào)損耗和更小的信號(hào)失真。CD4051的導(dǎo)通電阻在不同電壓下會(huì)有所變化，通常在V_DD?V_SS=10V時(shí)，導(dǎo)通電阻約為80歐姆。
關(guān)斷電阻 (R_OFF): 這是模擬開關(guān)斷開時(shí)的電阻，通常非常高，達(dá)到$10^{12}$歐姆以上。高關(guān)斷電阻確保了未選定通道的良好隔離，防止信號(hào)串?dāng)_。
通道間串?dāng)_ (Crosstalk): 衡量了未選定通道的信號(hào)對(duì)選定通道的影響。CD4051的串?dāng)_通常很低，這意味著不同通道之間的信號(hào)干擾很小，有助于保持信號(hào)的完整性。
傳播延遲 (Propagation Delay): 這是從數(shù)字地址輸入變化到模擬開關(guān)狀態(tài)穩(wěn)定所需的時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)模擬信號(hào)切換應(yīng)用，CD4051的傳播延遲通常在幾十納秒到幾百納秒之間，足以滿足要求。
功耗 (Power Dissipation): CD4051是一種低功耗CMOS器件，靜態(tài)功耗非常低，通常為納瓦級(jí)別。動(dòng)態(tài)功耗則與開關(guān)頻率和負(fù)載電容有關(guān)。
通道至通道匹配 (Channel-to-Channel Matching): 指的是不同通道之間導(dǎo)通電阻的一致性。良好的通道匹配對(duì)于需要高精度多路復(fù)用的應(yīng)用非常重要。
了解這些參數(shù)有助于工程師根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的CD4051型號(hào)，并設(shè)計(jì)出可靠的電路。
三、CD4051典型應(yīng)用電路圖解析
CD4051的應(yīng)用非常廣泛，下面將通過(guò)多個(gè)典型電路圖，詳細(xì)闡述其在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用。
3.1 模擬信號(hào)多路選擇器 (Multiplexer)
這是CD4051最常見的應(yīng)用之一，用于從多個(gè)模擬輸入中選擇一個(gè)信號(hào)并將其輸出到公共端。
電路圖：
+-------------------+
| CD4051 |
| |
CH0 ------| IN/OUT_0 |
CH1 ------| IN/OUT_1 |
CH2 ------| IN/OUT_2 |
CH3 ------| IN/OUT_3 |
CH4 ------| IN/OUT_4 |
CH5 ------| IN/OUT_5 |
CH6 ------| IN/OUT_6 |
CH7 ------| IN/OUT_7 |
| |------ OUT_COMMON (到ADC或其他處理單元)
A0 --------| A0 |
A1 --------| A1 |
A2 --------| A2 |
INH -------| INH |
VDD -------| VDD |
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
詳細(xì)解析：
在這個(gè)電路中，CD4051作為8選1模擬多路選擇器工作。八個(gè)模擬信號(hào)源（CH0到CH7）分別連接到CD4051的IN/OUT_0到IN/OUT_7引腳。公共的IN/OUT_COMMON引腳則連接到后續(xù)的信號(hào)處理單元，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入端。
數(shù)字地址輸入A0、A1、A2用于選擇需要輸出的模擬通道。例如，如果A2A1A0 = 001，那么CH1上的模擬信號(hào)將被連接到OUT_COMMON端。通過(guò)改變A0、A1、A2的邏輯狀態(tài)，可以動(dòng)態(tài)地切換不同的模擬輸入信號(hào)。
INH引腳通常接地（INH = 0），以確保多路復(fù)用器正常工作。如果INH為高電平，所有通道都將被斷開，OUT_COMMON將處于高阻態(tài)。
應(yīng)用場(chǎng)景：
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： 在需要從多個(gè)傳感器（如溫度傳感器、壓力傳感器、光敏電阻等）采集模擬數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，CD4051可以輪流選擇不同傳感器的輸出，將其送入一個(gè)ADC進(jìn)行數(shù)字化。這大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，減少了所需ADC的數(shù)量。
音視頻切換器： CD4051可以用于選擇不同的音頻或視頻源。例如，在一個(gè)多媒體系統(tǒng)中，可以通過(guò)CD4051選擇不同的麥克風(fēng)輸入、CD播放器輸出或電視音頻輸出。
工業(yè)控制： 在工業(yè)自動(dòng)化中，可能需要監(jiān)測(cè)多個(gè)模擬量，如電流、電壓、液位等。CD4051可以高效地將這些模擬信號(hào)引入控制器。
3.2 模擬信號(hào)解復(fù)用器 (Demultiplexer)
CD4051不僅可以作為多路復(fù)用器，也可以作為解復(fù)用器，將一個(gè)公共的模擬輸入信號(hào)分配到八個(gè)不同的模擬輸出通道之一。
電路圖：
+-------------------+
| CD4051 |
| |
IN_COMMON ------| IN/OUT_COMMON |
| |------ CH0_OUT
| |------ CH1_OUT
| |------ CH2_OUT
| |------ CH3_OUT
| |------ CH4_OUT
| |------ CH5_OUT
| |------ CH6_OUT
| |------ CH7_OUT
| |
A0 --------| A0 |
A1 --------| A1 |
A2 --------| A2 |
INH -------| INH |
VDD -------| VDD |
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
詳細(xì)解析：
在這個(gè)配置中，公共IN/OUT_COMMON引腳作為模擬輸入端，接收一個(gè)模擬信號(hào)。通過(guò)設(shè)置A0、A1、A2的地址，該模擬信號(hào)將被路由到相應(yīng)的IN/OUT_x引腳，作為模擬輸出。例如，如果A2A1A0 = 100，則IN_COMMON上的模擬信號(hào)將出現(xiàn)在CH4_OUT端。
INH引腳同樣用于使能/禁用整個(gè)解復(fù)用器功能。
應(yīng)用場(chǎng)景：
多路輸出波形發(fā)生器： 如果需要將一個(gè)共用的波形（例如，一個(gè)DAC輸出的波形）分配給不同的執(zhí)行器或負(fù)載，CD4051可以實(shí)現(xiàn)這一功能。例如，一個(gè)單片機(jī)通過(guò)DAC產(chǎn)生一個(gè)控制電壓，CD4051可以將其分配給8個(gè)不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電機(jī)的獨(dú)立控制。
模擬信號(hào)分配： 在需要將一個(gè)模擬信號(hào)廣播到多個(gè)目標(biāo)設(shè)備的系統(tǒng)中，解復(fù)用器非常有用。
顯示驅(qū)動(dòng)： 在某些模擬顯示應(yīng)用中，CD4051可以用于將圖形數(shù)據(jù)分配到不同的顯示段。
3.3 信號(hào)分時(shí)復(fù)用系統(tǒng)
CD4051在實(shí)現(xiàn)信號(hào)分時(shí)復(fù)用方面具有天然優(yōu)勢(shì)，通過(guò)周期性地切換地址線，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)的輪流傳輸。
電路圖：
+-------------------+ +-------------------+
| CD4051 | | MCU/Timer |
| | | |
Sensor1 -----| IN/OUT_0 | | |
Sensor2 -----| IN/OUT_1 | | |
... | ... | | |
Sensor8 -----| IN/OUT_7 | | |
| |------ ADC_IN |
MCU_A0 -----| A0 | | A0_OUT |------ CD4051_A0
MCU_A1 -----| A1 | | A1_OUT |------ CD4051_A1
MCU_A2 -----| A2 | | A2_OUT |------ CD4051_A2
MCU_INH ----| INH | | INH_OUT |------ CD4051_INH
VDD -------| VDD | | |
VSS -------| VSS | | |
VEE -------| VEE | | |
+-------------------+ +-------------------+
| |
--- GND --- GND
詳細(xì)解析：
在這個(gè)分時(shí)復(fù)用系統(tǒng)中，一個(gè)微控制器（MCU）或定時(shí)器產(chǎn)生序列化的地址信號(hào)（A0, A1, A2），以周期性地選擇CD4051的不同輸入通道。每個(gè)通道的模擬信號(hào)在被選擇的一小段時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)紸DC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通過(guò)快速切換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)模擬信號(hào)的“準(zhǔn)同時(shí)”采集。
MCU會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣順序和時(shí)間間隔，輸出相應(yīng)的A0、A1、A2組合。例如，它可能先設(shè)置A2A1A0 = 000，采集Sensor1的數(shù)據(jù)；然后迅速切換到A2A1A0 = 001，采集Sensor2的數(shù)據(jù)，以此類推。每個(gè)通道的采樣時(shí)間可以根據(jù)信號(hào)的變化速度和精度要求進(jìn)行調(diào)整。
應(yīng)用場(chǎng)景：
多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)： 在一個(gè)大型設(shè)備或環(huán)境中，需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)點(diǎn)的溫度。通過(guò)CD4051和單個(gè)ADC，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有溫度傳感器的分時(shí)采樣和數(shù)據(jù)記錄。
電池管理系統(tǒng) (BMS)： 在電動(dòng)汽車或儲(chǔ)能系統(tǒng)中，需要監(jiān)測(cè)多個(gè)電池單體的電壓和溫度。CD4051可以用于周期性地選擇不同的電池測(cè)量點(diǎn)，從而降低成本和復(fù)雜度。
醫(yī)療設(shè)備： 在某些醫(yī)療診斷設(shè)備中，可能需要同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)生理參數(shù)，如心電圖（ECG）的多個(gè)導(dǎo)聯(lián)信號(hào)。
3.4 增益可編程放大器
結(jié)合運(yùn)算放大器，CD4051可以實(shí)現(xiàn)增益可編程的放大器，適用于需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整信號(hào)增益的場(chǎng)合。
電路圖：
+-------------------+ +-------------------+
| CD4051 | | 運(yùn)算放大器 |
| | | |
Rf1 ------| IN/OUT_0 | | +----------|-- V_OUT
Rf2 ------| IN/OUT_1 | | | |
... | ... | | | _ |
Rfn ------| IN/OUT_7 | | VIN ----|- |
| |------| | |
V_IN_SIG ---| IN/OUT_COMMON | | | |
| | | | >---| V_OUT_OPAMP
| | | | / |
A0 --------| A0 | | | _/ |
A1 --------| A1 | | |
A2 --------| A2 | +-------------------+
INH -------| INH | |
VDD -------| VDD | --- GND
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
詳細(xì)解析：
這個(gè)電路利用CD4051選擇不同的反饋電阻（Rf1到Rfn），從而改變運(yùn)算放大器的增益。IN/OUT_COMMON連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，而IN/OUT_0到IN/OUT_7則連接到不同的反饋電阻，這些電阻的另一端接運(yùn)算放大器的輸出端。
通過(guò)數(shù)字地址A0、A1、A2選擇一個(gè)反饋電阻，就可以設(shè)定放大器的增益。例如，如果選擇了Rf1，則放大器的增益由$R_{f1}/R_{in}決定（假設(shè)R_{in}$是輸入電阻）。這種方法可以實(shí)現(xiàn)離散的增益步進(jìn)。
應(yīng)用場(chǎng)景：
傳感器接口： 許多傳感器輸出的信號(hào)幅度較小，且動(dòng)態(tài)范圍較大。增益可編程放大器可以根據(jù)傳感器的輸出幅度自動(dòng)調(diào)整增益，以充分利用ADC的量程。
音頻處理： 在音頻設(shè)備中，可能需要根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)整放大器的增益，以避免削波或提高信噪比。
自動(dòng)增益控制 (AGC) 系統(tǒng)： CD4051可以作為AGC環(huán)路的一部分，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度反饋來(lái)調(diào)整增益。
3.5 波形發(fā)生器中的應(yīng)用
CD4051也可以用于簡(jiǎn)單的波形發(fā)生器，例如，通過(guò)連接不同的電阻-電容（RC）網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)頻率可選擇的振蕩器。
電路圖：
+-------------------+
| CD4051 |
| |
R1 ------| IN/OUT_0 |
R2 ------| IN/OUT_1 |
... | ... |
R7 ------| IN/OUT_7 |
| |
V_REF ----| IN/OUT_COMMON |------ (連接到振蕩電路的關(guān)鍵點(diǎn)，例如反相器輸入)
| |
A0 --------| A0 |
A1 --------| A1 |
A2 --------| A2 |
INH -------| INH |
VDD -------| VDD |
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
詳細(xì)解析：
在這個(gè)例子中，CD4051用于選擇不同的電阻，這些電阻與一個(gè)固定的電容一起構(gòu)成RC振蕩電路的頻率決定網(wǎng)絡(luò)。例如，可以將CD4051的IN/OUT_COMMON連接到一個(gè)施密特觸發(fā)反相器的輸入端，而IN/OUT_0到IN/OUT_7分別連接不同的電阻。通過(guò)選擇不同的電阻，可以改變RC常數(shù)，從而改變振蕩頻率。
應(yīng)用場(chǎng)景：
多頻率時(shí)鐘源： 需要在不同頻率之間切換的微控制器系統(tǒng)或數(shù)字邏輯電路。
測(cè)試設(shè)備： 用于產(chǎn)生不同頻率的測(cè)試信號(hào)。
簡(jiǎn)單的音樂(lè)合成器： 通過(guò)切換不同頻率的振蕩，可以產(chǎn)生不同的音調(diào)。
3.6 矩陣鍵盤掃描
雖然CD4051主要處理模擬信號(hào)，但其多路復(fù)用能力也可以間接用于數(shù)字應(yīng)用，例如簡(jiǎn)化矩陣鍵盤的掃描。
電路圖：
+-------------------+
| CD4051 |
| |
ROW0 -----| IN/OUT_0 |
ROW1 -----| IN/OUT_1 |
ROW2 -----| IN/OUT_2 |
ROW3 -----| IN/OUT_3 |
ROW4 -----| IN/OUT_4 |
ROW5 -----| IN/OUT_5 |
ROW6 -----| IN/OUT_6 |
ROW7 -----| IN/OUT_7 |
| |------ KEY_COLUMN_IN (到MCU的數(shù)字輸入)
| |
MCU_A0 -----| A0 |
MCU_A1 -----| A1 |
MCU_A2 -----| A2 |
INH -------| INH |
VDD -------| VDD |
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
(鍵盤的列連接到CD4051的IN/OUT_x，行連接到MCU的輸出引腳)
詳細(xì)解析：
在一個(gè)矩陣鍵盤中，行和列通過(guò)按鍵連接。為了檢測(cè)哪個(gè)按鍵被按下，微控制器通常需要逐行或逐列地掃描。CD4051可以在這種應(yīng)用中扮演一個(gè)中間角色。
例如，可以將鍵盤的8列連接到CD4051的IN/OUT_0到IN/OUT_7。公共IN/OUT_COMMON連接到微控制器的一個(gè)數(shù)字輸入引腳。微控制器通過(guò)CD4051的地址線A0、A1、A2選擇掃描哪一列。同時(shí)，微控制器可以輪流拉低鍵盤的行線。當(dāng)某一列被選中且某一行被拉低時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的按鍵被按下，微控制器的輸入引腳就會(huì)檢測(cè)到低電平。
這種方法可以減少微控制器直接控制的I/O引腳數(shù)量，尤其是在大型鍵盤中。
應(yīng)用場(chǎng)景：
大型鍵盤或按鈕陣列： 例如在工業(yè)控制面板、POS機(jī)鍵盤或需要大量按鍵輸入的設(shè)備中。
降低微控制器引腳數(shù)量： 當(dāng)微控制器的I/O資源有限時(shí)，CD4051可以作為擴(kuò)展器。
3.7 雙向開關(guān)/總線切換
CD4051的每個(gè)通道都是雙向的，這意味著信號(hào)可以從IN/OUT_x流向IN/OUT_COMMON，也可以反向流動(dòng)。這使其非常適合作為雙向開關(guān)或總線切換器。
電路圖：
+-------------------+
| CD4051 |
| |
BUS_A -----| IN/OUT_COMMON |
| |
| |------ DEVICE_1_BUS
| |------ DEVICE_2_BUS
| |------ DEVICE_3_BUS
| |------ DEVICE_4_BUS
| |------ DEVICE_5_BUS
| |------ DEVICE_6_BUS
| |------ DEVICE_7_BUS
| |------ DEVICE_8_BUS
| |
A0 --------| A0 |
A1 --------| A1 |
A2 --------| A2 |
INH -------| INH |
VDD -------| VDD |
VSS -------| VSS |
VEE -------| VEE |
+-------------------+
|
--- GND
詳細(xì)解析：
在這個(gè)配置中，BUS_A是一個(gè)公共的總線，可以連接到微控制器或其他主控設(shè)備。DEVICE_1_BUS到DEVICE_8_BUS是連接到不同外設(shè)的總線。CD4051充當(dāng)了BUS_A與這八個(gè)外設(shè)之間的開關(guān)。通過(guò)地址線A0、A1、A2，主控設(shè)備可以選擇與哪個(gè)外設(shè)進(jìn)行通信。
由于CD4051是雙向的，數(shù)據(jù)可以在BUS_A和選定的DEVICE_X_BUS之間雙向傳輸。這對(duì)于需要共享總線資源但又不能同時(shí)通信的多個(gè)外設(shè)非常有用。
應(yīng)用場(chǎng)景：
多設(shè)備通信： 在一個(gè)系統(tǒng)中，如果一個(gè)主控設(shè)備需要與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行串行或并行通信，但又不能同時(shí)與所有設(shè)備通信時(shí)，可以使用CD4051進(jìn)行切換。
模擬信號(hào)路由： 在需要將一個(gè)模擬信號(hào)路由到多個(gè)接收器，或者從多個(gè)源接收模擬信號(hào)的場(chǎng)合，例如復(fù)雜的音頻混音臺(tái)。
故障診斷： 在復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，CD4051可以用于隔離或連接特定電路段，以便進(jìn)行故障排查。
3.8 級(jí)聯(lián)應(yīng)用
當(dāng)需要處理超過(guò)8個(gè)模擬通道時(shí)，可以級(jí)聯(lián)多個(gè)CD4051。
電路圖：
+-------------------+ +-------------------+
| CD4051_1 | | CD4051_2 |
| | | |
CH0 -----| IN/OUT_0 | | CH8 -----| IN/OUT_0 |
... | ... | | ... | ... |
CH7 -----| IN/OUT_7 | | CH15 -----| IN/OUT_7 |
| |------| IN/OUT_COMMON |
| |------ OUT_COMMON (到ADC)
A0_MCU -----| A0 | | |
A1_MCU -----| A1 | | A0 |------ A0_MCU
A2_MCU -----| A2 | | A1 |------ A1_MCU
INH_MCU ----| INH | | A2 |------ A2_MCU
| | | INH |------ SELECT_CD4051_2
VDD -------| VDD | | VDD |
VSS -------| VSS | | VSS |
VEE -------| VEE | | VEE |
+-------------------+ +-------------------+
| |
--- GND --- GND
詳細(xì)解析：
要級(jí)聯(lián)CD4051，最常見的方法是使用一個(gè)額外的數(shù)字I/O引腳來(lái)控制每個(gè)CD4051的INH（使能）引腳，作為芯片選擇信號(hào)。所有CD4051的A0、A1、A2引腳可以并聯(lián)連接到微控制器的同一組地址線。
在這個(gè)例子中，我們展示了兩個(gè)CD4051的級(jí)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)16選1多路復(fù)用。CD4051_1的IN/OUT_COMMON和CD4051_2的IN/OUT_COMMON連接到同一個(gè)ADC。
為了選擇CH0到CH7（由CD4051_1處理），微控制器會(huì)設(shè)置SELECT_CD4051_1（連接到CD4051_1的INH）為低電平，同時(shí)設(shè)置SELECT_CD4051_2（連接到CD4051_2的INH）為高電平。然后通過(guò)A0、A1、A2選擇CH0到CH7中的一個(gè)。
為了選擇CH8到CH15（由CD4051_2處理），微控制器會(huì)設(shè)置SELECT_CD4051_1為高電平，同時(shí)設(shè)置SELECT_CD4051_2為低電平。然后通過(guò)A0、A1、A2選擇CH8到CH15中的一個(gè)。
這種級(jí)聯(lián)方式可以擴(kuò)展到更多的CD4051，實(shí)現(xiàn)32選1、64選1甚至更多的通道選擇。所需的地址線數(shù)量會(huì)增加，但每個(gè)CD4051仍然只需要3個(gè)地址線和一個(gè)使能線。
應(yīng)用場(chǎng)景：
大規(guī)模數(shù)據(jù)采集： 當(dāng)需要從數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，級(jí)聯(lián)多路復(fù)用器是成本效益高且效率的解決方案。
復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)控： 在大型工業(yè)設(shè)備、智能建筑或農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中，需要監(jiān)控大量模擬參數(shù)。
測(cè)試臺(tái)： 用于測(cè)試多個(gè) DUT（被測(cè)設(shè)備）的模擬性能。
3.9 精密模擬信號(hào)路由
在某些對(duì)信號(hào)精度要求極高的應(yīng)用中，CD4051的低導(dǎo)通電阻和低串?dāng)_特性使其成為理想的選擇。然而，為了進(jìn)一步提高精度，可能需要采取額外的措施。
電路圖：
+-------------------+ +-------------------+
| CD4051 | | 緩沖器/運(yùn)放 |
| | | |
CH0 ------| IN/OUT_0 | | |
... | ... | | |
CH7 ------| IN/OUT_7 | | |
| |------| IN_BUFFER |------ OUT_BUFFERED
| | | |
A0 --------| A0 | | |
A1 --------| A1 | | |
A2 --------| A2 | | |
INH -------| INH | | |
VDD -------| VDD | | |
VSS -------| VSS | | |
VEE -------| VEE | | |
+-------------------+ +-------------------+
| |
--- GND --- GND
(每個(gè)模擬輸入通道也可以考慮增加緩沖器，降低CD4051的輸入阻抗要求)
詳細(xì)解析：
盡管CD4051本身具有良好的模擬特性，但在處理極低電平或高阻抗信號(hào)時(shí)，或者為了驅(qū)動(dòng)重負(fù)載，通常建議在CD4051的輸入端或輸出端增加緩沖器（通常是電壓跟隨器配置的運(yùn)算放大器）。
輸入緩沖： 在CD4051的每個(gè)模擬輸入通道前放置一個(gè)高輸入阻抗的緩沖器，可以隔離信號(hào)源，確保信號(hào)不會(huì)因?yàn)镃D4051的輸入阻抗（盡管很高，但在特定情況下仍可能產(chǎn)生影響）而衰減或失真。這對(duì)于高阻抗傳感器（如某些pH探頭）尤其重要。
輸出緩沖： 在CD4051的公共輸出端放置一個(gè)緩沖器，可以降低CD4051輸出端所看到的負(fù)載效應(yīng)，并提高其驅(qū)動(dòng)能力。這意味著CD4051的導(dǎo)通電阻變化對(duì)后續(xù)電路的影響會(huì)大大減小，從而提高信號(hào)的傳輸精度。例如，如果CD4051的輸出需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)低輸入阻抗的ADC，一個(gè)緩沖器可以有效防止ADC的輸入電流對(duì)CD4051造成電壓降。
應(yīng)用場(chǎng)景：
醫(yī)療儀器： 對(duì)信號(hào)完整性和精度要求極高的ECG、EEG等設(shè)備。
精密測(cè)量設(shè)備： 實(shí)驗(yàn)室儀器、校準(zhǔn)設(shè)備等。
音頻發(fā)燒設(shè)備： 追求極致音質(zhì)的音頻前置放大器或混音器。
3.10 開關(guān)陣列與交叉點(diǎn)開關(guān)
通過(guò)組合多個(gè)CD4051，可以構(gòu)建更復(fù)雜的開關(guān)陣列，實(shí)現(xiàn)任意輸入到任意輸出的連接，即交叉點(diǎn)開關(guān)。
電路圖（簡(jiǎn)化示例，更多通道需要更多CD4051）：
+-------------------+ +-------------------+
| CD4051_INPUT | | CD4051_OUTPUT |
| | | |
IN1 -------| IN/OUT_0 | | IN/OUT_0 |------ OUT1
IN2 -------| IN/OUT_1 | | IN/OUT_1 |------ OUT2
... | ... | | ... |
IN8 -------| IN/OUT_7 | | IN/OUT_7 |------ OUT8
| |------| IN/OUT_COMMON |
| |------ COMMON_BUS ------| IN/OUT_COMMON |
| | | |
A0_IN -----| A0 | | A0_OUT ----------| A0 |
A1_IN -----| A1 | | A1_OUT ----------| A1 |
A2_IN -----| A2 | | A2_OUT ----------| A2 |
INH_IN ----| INH | | INH_OUT ---------| INH |
+-------------------+ +-------------------+
| |
--- GND --- GND
詳細(xì)解析：
這是一個(gè)簡(jiǎn)單的8x8交叉點(diǎn)開關(guān)的原理。CD4051_INPUT作為一個(gè)8選1多路復(fù)用器，選擇一個(gè)輸入信號(hào)并將其路由到COMMON_BUS。CD4051_OUTPUT作為一個(gè)1選8解復(fù)用器，將COMMON_BUS上的信號(hào)路由到8個(gè)輸出中的一個(gè)。
通過(guò)精確控制CD4051_INPUT和CD4051_OUTPUT的地址線和使能線，可以實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)輸入到任意一個(gè)輸出的連接。例如，要將IN3連接到OUT5，需要：
設(shè)置CD4051_INPUT的地址為選擇IN3的編碼。
確保CD4051_INPUT的INH為低電平。
設(shè)置CD4051_OUTPUT的地址為選擇OUT5的編碼。
確保CD4051_OUTPUT的INH為低電平。
這種結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增加更多的CD4051來(lái)擴(kuò)展，例如，使用多個(gè)CD4051作為輸入選擇器，再使用多個(gè)CD4051作為輸出選擇器，從而構(gòu)建一個(gè)更大的矩陣。
應(yīng)用場(chǎng)景：
通信系統(tǒng)： 在電話交換機(jī)、廣播電臺(tái)或視頻路由系統(tǒng)中，需要?jiǎng)討B(tài)地建立不同源和目的地之間的連接。
自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備： 需要靈活地連接各種信號(hào)發(fā)生器、測(cè)量?jī)x器和被測(cè)設(shè)備。
多媒體矩陣： 將多個(gè)音視頻源路由到多個(gè)顯示器或音響系統(tǒng)。
四、CD4051使用注意事項(xiàng)
在實(shí)際應(yīng)用CD4051時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)，以確保電路的穩(wěn)定性和性能：
電源電壓： 確保數(shù)字控制電壓 (V_DD?V_SS) 和模擬信號(hào)電壓 (V_DD?V_EE) 在器件的規(guī)定范圍內(nèi)。特別是在雙電源供電時(shí)，負(fù)電源(V_EE)的正確連接至關(guān)重要。
模擬信號(hào)幅度： 模擬輸入信號(hào)的幅度不能超過(guò)$V_{DD}和V_{EE}$的范圍。如果信號(hào)超出此范圍，可能會(huì)損壞器件或?qū)е滦盘?hào)失真。
輸入阻抗與輸出阻抗： 盡管CD4051的輸入阻抗很高，但為了減少信號(hào)衰減和失真，建議信號(hào)源具有相對(duì)較低的輸出阻抗。同樣，對(duì)于后級(jí)負(fù)載，如果其輸入阻抗過(guò)低，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，此時(shí)需要考慮增加緩沖器。
數(shù)字控制信號(hào)： 確保A0、A1、A2和INH的邏輯電平符合CMOS輸入要求，即高電平接近V_DD，低電平接近V_SS。避免輸入引腳懸空，通常建議通過(guò)上拉或下拉電阻將其固定到確定電平。
信號(hào)完整性： 在高頻應(yīng)用中，需要注意PCB布局，盡量縮短信號(hào)路徑，減少寄生電容和電感，以防止信號(hào)串?dāng)_和振鈴。必要時(shí)可以使用屏蔽線或地線進(jìn)行隔離。
靜電防護(hù)： CD4051是CMOS器件，對(duì)靜電敏感。在處理和安裝時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，如佩戴防靜電腕帶、使用防靜電工作臺(tái)等。
去耦電容： 在CD4051的電源引腳附近放置0.1uF或0.01uF的陶瓷去耦電容，靠近芯片引腳放置，可以有效濾除電源噪聲，提高電路的穩(wěn)定性。
通道導(dǎo)通電阻的非線性： CD4051的導(dǎo)通電阻會(huì)隨模擬信號(hào)的幅度、電源電壓和溫度的變化而略有變化。在對(duì)精度要求極高的應(yīng)用中，需要考慮這種非線性，并可能通過(guò)校準(zhǔn)或其他電路補(bǔ)償來(lái)消除影響。
五、CD4051與其他多路復(fù)用器的比較
市場(chǎng)上除了CD4051，還有許多其他類型的模擬多路復(fù)用器。了解它們的區(qū)別有助于在特定應(yīng)用中做出最佳選擇。
模擬帶寬： CD4051的帶寬相對(duì)較低，適用于低頻和中頻模擬信號(hào)。對(duì)于射頻（RF）或高頻視頻信號(hào)，可能需要專門的高帶寬模擬開關(guān)或RF開關(guān)。
通道數(shù)量： CD4051提供8個(gè)通道。對(duì)于需要更多通道的應(yīng)用，除了級(jí)聯(lián)CD4051，也可以選擇集成更多通道的芯片，例如CD4067（16通道）。
導(dǎo)通電阻： 一些現(xiàn)代模擬開關(guān)（例如使用更先進(jìn)工藝制造的CMOS開關(guān)）可以提供更低的導(dǎo)通電阻，有時(shí)低至幾歐姆。這對(duì)于需要處理大電流或追求極低信號(hào)損耗的應(yīng)用很有利。
電源電壓和邏輯兼容性： 不同系列的多路復(fù)用器支持的電源電壓和數(shù)字邏輯電平可能不同。例如，一些多路復(fù)用器是為5V或3.3V系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，而CD4051則具有更寬的電壓范圍。
封裝類型： CD4051通常提供DIP（雙列直插）和SOIC（小外形集成電路）等封裝。根據(jù)PCB空間和焊接要求選擇合適的封裝。
功耗： CD4051以其極低的靜態(tài)功耗而聞名。對(duì)于電池供電或?qū)姆浅Ｃ舾械膽?yīng)用，這是其一大優(yōu)勢(shì)。
六、總結(jié)與展望
CD4051作為一款經(jīng)典的8通道模擬多路復(fù)用器/解復(fù)用器，以其簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠、低功耗和寬電源電壓范圍等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。從基礎(chǔ)的模擬信號(hào)選擇，到復(fù)雜的信號(hào)分時(shí)復(fù)用、增益可編程放大，再到矩陣鍵盤掃描和雙向總線切換，CD4051都展現(xiàn)出強(qiáng)大的功能和靈活性。通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)器件，其應(yīng)用范圍還可以進(jìn)一步擴(kuò)展到更多通道的系統(tǒng)。
盡管現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了更多高性能、更高帶寬的模擬開關(guān)，但CD4051憑借其成熟的技術(shù)、低成本和廣泛的可用性，仍然是許多非苛刻模擬信號(hào)切換應(yīng)用的首選。特別是在教育、愛好項(xiàng)目以及許多工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中，CD4051依然發(fā)揮著不可替代的作用。
展望未來(lái)，CD4051及其同系列產(chǎn)品將繼續(xù)在需要穩(wěn)定、可靠和低成本模擬開關(guān)的領(lǐng)域發(fā)揮作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和嵌入式系統(tǒng)的普及，對(duì)低功耗模擬前端的需求將持續(xù)增長(zhǎng)，CD4051作為一種成熟的解決方案，有望在這些新興應(yīng)用中找到新的契機(jī)。
掌握CD4051的典型應(yīng)用電路和使用注意事項(xiàng)，將有助于工程師和愛好者更好地利用這一經(jīng)典器件，設(shè)計(jì)出功能更強(qiáng)大、性能更優(yōu)越的電子系統(tǒng)。
責(zé)任編輯：David
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