如何正確地為測試系統(tǒng)選擇開關(guān)？

每種開關(guān)系統(tǒng)都會涉及到不同的情況的取舍。有時商業(yè)上的需求會不顧技術(shù)規(guī)范的限制，從而得到一些不很理想的結(jié)果。有時甚至?xí)l(fā)生某些技術(shù)要求之間相互沖突的情況，因此，在實際應(yīng)用中要非常注意處理這些技術(shù)規(guī)范之間的關(guān)系。

我們經(jīng)常會責(zé)備一些創(chuàng)建系統(tǒng)失敗的用戶，主要是由于這些用戶將一個7位半的數(shù)字萬用表（DMM）和一個僅僅支持4位半精度的開關(guān)系統(tǒng)組合到一起使用。在很多這樣的例子中，用戶從來不將開關(guān)系統(tǒng)作為一項可能產(chǎn)生誤差的原因考慮。在其他一些例子中，用戶意識到了可能會出現(xiàn)的誤差，但是他們并不能有效的約束或者控制這個誤差。

一旦你意識到了需要根據(jù)電氣需求選擇合適的開關(guān)模塊的時候，你就會發(fā)現(xiàn)一種型號不可能適合所有的應(yīng)用。你需要在所要實現(xiàn)的需求的基礎(chǔ)上設(shè)計合適的開關(guān)系統(tǒng)。這也意味著在系統(tǒng)中可能會用到不止一種類型的開關(guān)。

一個值得引以為戒的例子

當我們在和一家大型醫(yī)療設(shè)備公司合作的時候遭遇了一次慘痛的經(jīng)歷。這家公司與另外一家系統(tǒng)集成商簽約，讓對方為自己集成一個測試系統(tǒng)，以便對起搏器中使用的電纜的可靠性進行測試。這個測試系統(tǒng)的要求很簡單：只需要測量當幾個電線相互彎曲和扭曲的時候的電阻值。這個系統(tǒng)需要探測的電阻值的變化量是20mΩ。

系統(tǒng)集成商選擇一塊PXI的開關(guān)卡和一個6位半的PXI DMM，這樣的選擇更多的出于對商業(yè)關(guān)系的考慮，而不是對技術(shù)要求的考慮。從而導(dǎo)致的結(jié)果是系統(tǒng)測量顯示的結(jié)果在200mΩ的范圍內(nèi)變化，因此這個系統(tǒng)是不能使用的。

集成商并沒有解決這種問題的經(jīng)驗，并且供應(yīng)商沒有提供任何技術(shù)支持。由于終端用戶采用的是一個無用且昂貴的系統(tǒng)，項目被延期交付，集成商也沒有對產(chǎn)生問題的給出合理解釋和解決方案，項目宣告失敗。

最終，這個終端用戶打到我們Signametrics公司的尋求技術(shù)支持。我們的解釋就是問題的產(chǎn)生主要原因是在測試系統(tǒng)中選擇了不合適的硬件模塊所造成的。我們向他推薦了一個Signametrics公司的SMX4032儀器開關(guān)卡和一個SMX2064 7位半的DMM給這個客戶，并且保證如果不能使用的話我們會全額退款。采用了我們建議的設(shè)備后，整個系統(tǒng)的運行情況很好，現(xiàn)在那位客戶也很滿意。

為什么會發(fā)生這種情況呢？當你認識到在這個情況下存在的許多不定因素的時候，你就會覺得這個問題很容易回答了。這個終端用戶是機械工程師，他很信任集成商的判斷。集成商在軟件和系統(tǒng)整合方面也很熟悉，但是卻沒有測量相關(guān)的技術(shù)背景。最初的那位銷售人員也沒有足夠的儀器技術(shù)知識，所以不能很好的理解客戶提出的需求。而提供設(shè)備的供應(yīng)商也沒有對他的產(chǎn)品進行有效的技術(shù)支持。這一系列問題最終導(dǎo)致產(chǎn)生了前面的結(jié)果。

可疑的假設(shè)

當你選擇開關(guān)系統(tǒng)的時候，很有可能產(chǎn)生一些對后續(xù)應(yīng)用不利的假設(shè)條件。下面就是一些比較普遍的誤區(qū)：

當要在不同測試設(shè)備中進行信號傳送時，開關(guān)時一種理想、簡便的儀器。其實并不是這樣的。這種想法會導(dǎo)致令人困惑的結(jié)果。

矩陣開關(guān)可以允許將任何輸入和任何輸出進行連接。如果后續(xù)的需求需要改變的話，只需要進行簡單的軟件的改變就可以實現(xiàn)。這個也并不完全正確。如果這樣做的話，你會為此付出沉重的代價。

如果你認為只要規(guī)定開關(guān)系統(tǒng)能夠處理的最大電壓和最大電流，就可以滿足所有的低于最大電壓和最大電流的輸入需求的話，那么你錯了。

如果需要測量很低的電壓或電阻的話，只需要通用的開關(guān)或者矩陣開關(guān)就可以很好的實現(xiàn)。這種想法肯定也是不正確的。開關(guān)可以實現(xiàn)說明書上所提到的所有功能。如果說明書上沒有標明的功能，比如溫度偏置電壓，在這種情況下你也不知道得到的結(jié)果是什么。

如果需要進行精密電阻測量的話，一個四線的線路可以通過開關(guān)通道消除所有的誤差。這種想法也是不正確的。這種做法可以減小一些誤差，但不是全部的。

矩陣開關(guān)VS.多路復(fù)用器

首先一點是，無論是矩陣還是多路復(fù)用器都是一種開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)。矩陣開關(guān)是很通用的。它能夠?qū)⑷魏屋斎牒腿魏屋敵鲞M行連接。當后續(xù)的應(yīng)用中需求發(fā)生了變化，那么只需要進行軟件的改變就可以實現(xiàn)。并且簡單的外圍電路圖顯得很簡潔。

不幸的是，當你希望在每個交叉點上使用一個繼電器來實現(xiàn)大規(guī)模的開關(guān)矩陣的話，就會需要很多個繼電器。這樣的話物理尺寸和成本就會急劇的上升，甚至于超出控制范圍。

一個比較劃算的方法來實現(xiàn)矩陣是采用開關(guān)樹的結(jié)構(gòu)。但是這種樹形結(jié)構(gòu)需要每條連接線路都經(jīng)過個別的繼電器觸點，這樣的話就會明顯的降低系統(tǒng)的精確性。這種精度的降低會以增加繼電器的泄漏電流和熱補償電壓這兩種形式表現(xiàn)出來。同時，還要考慮將繼電器觸點和矩陣進行焊接所帶來的風(fēng)險，這是因為這里沒有對多路復(fù)用器進行保護，而多路復(fù)用器中的所有繼電器在自動打開前都會關(guān)閉選定的通道。

多路復(fù)用器的使用更加簡單。它采用先開后合的順序?qū)路輸入中的一路轉(zhuǎn)換到子總線上。然后用一組開關(guān)將子總線信號切換到測試卡上。如果包含了很多個輸入，那么利用更多的子總線添加更多的掃描卡來實現(xiàn)。由于繼電器的數(shù)量是合理的，因此，總的大小和成本也是可以接受的。

某些多路復(fù)用器允許將n選一的輸入轉(zhuǎn)換為4選1的輸出（如圖1）。更多的多路復(fù)用器還會提供一些軟件工具來簡化開關(guān)卡的控制。當輸入狀態(tài)為高阻抗的時候，多路復(fù)用器可能會產(chǎn)生一些遺漏問題，但是對于微弱信號基本上不會產(chǎn)生任何問題。

通用，高密度的開關(guān)

很多工程師喜歡選擇高密度的開關(guān)，因為它適用于很多的應(yīng)用。

有些問題并不是通過通過閱讀說明書就能明顯看出來的，但是這些問題會導(dǎo)致許多測量功能明顯降低。由于高密度開關(guān)具有很高的溫度偏置電壓，因此在電阻溫度檢測（RTD）和熱電偶測量中就會出現(xiàn)明顯的功能退化。與廣泛的被接受想法相反，使用四線電阻測量方法并不能完全消除溫度偏置電壓。第二個因素就是由于接近PCB的布線和繼電器，高密度開關(guān)會產(chǎn)生更多的噪聲。

圖1 Signametrics公司的SMX4032的儀器技術(shù)開關(guān)卡

總之，高密度開關(guān)可以將許多功能壓縮在一個很小的空間里，但是，它并不適用于微弱信號的精密檢測應(yīng)用中。

儀器開關(guān)是指通過低的電壓偏差，低的接觸電阻，低噪聲和低交叉耦合來進行切換。如果要測量低于10Ω的電阻，比如在連續(xù)性測試中，要求小于1mΩ的電阻值和小于1µV的溫度偏置電壓。這看起來要求有些高，但是只要比這個值高的話，就會明顯的降低系統(tǒng)的精度。

高密度通用開關(guān)的說明書通常情況下是不以儀器技術(shù)形式寫出的。也就是說，制造商們并不認為這種開關(guān)適合應(yīng)用在儀器技術(shù)中。

為什么說低熱電動勢和低接觸電阻時至關(guān)重要的呢？如果你看一下7位半的DMM的說明書的話，你就會注意到它的測量精度可以達到幾微伏。甚至一個比較好的5位半的DMM的精度也會達到50µV。如果將信號通過一個會引入100µV的誤差的開關(guān)中，那么你的系統(tǒng)的精度只能是4位半所能達到的精度。

表1 不同開關(guān)配置的誤差值

表1中說明了當你應(yīng)用不同質(zhì)量的開關(guān)對不同信號進行測量時，會引入多大的誤差。從中我們可以看出，儀器技術(shù)開關(guān)所引入的誤差比7位半的DMM所引入的誤差還要小，而典型的高密度開關(guān)引入的誤差相當于5位的DMM甚至更糟。

進行電阻測量時，電壓要很低，一般要低于2V，這樣做可以控制熱量并且防止過高的電壓打開連接在DUT上的半導(dǎo)體。也就是說，開關(guān)系統(tǒng)中的誤差不僅影響低電阻（resistance reading），而會影響所有的resistance readings。

最有效的看待這些誤差的方式就是它所占有的被測量的百分比數(shù)，如圖2中所示。圖中描述了電阻測量中不同開關(guān)卡的誤差分布。它是由標準的萬用表對電流和低于2V的電壓進行測量得到的。圖中的鋸齒是由在比較高的電阻范圍內(nèi)降低測量電流而產(chǎn)生的。

圖2 采用不同開關(guān)配置對電阻進行測量的誤差分布

如圖2所示，開關(guān)系統(tǒng)會使電阻測量的精度遠低于預(yù)期值。但是，我們可以做一些事情來彌補這個不足：

很多DMM都有偏置歐姆的功能，這個功能可以部分地校正這個誤差。這個會明顯的增加測量時間和噪聲。

一些DMM使用10mA的激勵電流對低電阻值進行測量。這可以使在對低于20Ω電阻時的誤差值減小10-fold，而在此刻的誤差值是最大的。

同普遍知道的相反，使用四線電阻測量方法并不能改變那些誤差。四線測量只能消除在測量過程中由test-lead resistance產(chǎn)生的誤差；而對于減小測量過程中的電壓誤差沒有任何作用。

這些電壓誤差是從哪里產(chǎn)生的呢？

電磁式繼電器的物理性質(zhì)所造成的電壓誤差基本上是不可避免的。電磁式繼電器是依靠鎳鐵合金元素工作的，并且當磁場打開的時候就會形成一個回路。鎳鐵合金是焊接在鋪銅的電路板上的。

鎳鐵合金和銅之間的連接點會形成一個熱電偶，而這個熱電偶會產(chǎn)生約為40 µV/°C的溫度變化。許多高密度和矩陣開關(guān)在設(shè)計時有不同的側(cè)重點，因此在不同的繼電器上的溫度就會有些不同。正因為如此，電壓誤差隨之產(chǎn)生了。

高電壓

開關(guān)系統(tǒng)必須要處理的最大電壓是什么？電壓等級很明顯。只能允許一些瞬間電壓。如果開關(guān)必須處理輸電線上的電壓，那么此時安全設(shè)備開始運動。

高電流

最大和最小電流分別是什么？采用電鍍金屬的繼電器轉(zhuǎn)換高于2A的電流時不能工作在干式接點轉(zhuǎn)換模式。換句話說，只有當接點上流過的電流符合繼電器的要求時，繼電器才能很好的工作。因此，如果需要轉(zhuǎn)換較高的電流和很低的電流的時，需要兩種不同的開關(guān)來實現(xiàn)。

RF

分離高頻的和低衰減的需要特殊開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)和傳輸線連接。這是非常特殊的。

軟件支持

開關(guān)卡的軟件驅(qū)動器是否支持你需要的拓撲機構(gòu)呢？合適的軟件會使你的工作變得相當簡單。否則的話就會使你的工作變得很復(fù)雜。

在對開關(guān)進行排列的時候，包括以下幾種情況：

高密度采用單一的末端。

高精度和低噪聲采用微分式。

精確的歐姆測量采用四線式。

電路內(nèi)的歐姆測量采用六線式。

一個驅(qū)動程序包會隨著一些開關(guān)卡一起贈送，這個驅(qū)動程序包的作用就是使這些配置很容易開始執(zhí)行。一臺機載的微控制器就可以高效快速地進行操作。

結(jié)論

很多開發(fā)商提供開關(guān)模塊，可以和他們聊聊。這些廠商包括Ascor，Pickering Interfaces，Geotest，南美的EADS，NI以及Signametrics公司。每個廠商都有他們各自的優(yōu)勢和劣勢。如果你想完整理解他們的產(chǎn)品的特性的話，那么你需要和他們進行詳談。

開關(guān)系統(tǒng)是測試系統(tǒng)中一個很重要的部分，并且在許多情況下，它是整個測試系統(tǒng)中最為昂貴的一部分。認真的選擇開關(guān)，就可以在系統(tǒng)中得到最好的測量精度。