如何為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)挑選合適的信號(hào)開關(guān)
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自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的單元，這取決于特定的應(yīng)用場(chǎng)合，但是在幾乎所有的例子中，信號(hào)開關(guān)都是很常見的模塊。沒有任何一款信號(hào)開關(guān)系統(tǒng)能夠適用于任何應(yīng)用，因此對(duì)于適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)元件的選擇就變得非常重要。
對(duì)于適當(dāng)?shù)男盘?hào)開關(guān)的選擇要比大多數(shù)測(cè)試工程師對(duì)它的信賴要重要的多。信號(hào)開關(guān)負(fù)責(zé)測(cè)試單元與激發(fā)和響應(yīng)儀器之間的連接工作（如圖1所示）。恰當(dāng)?shù)倪B接確保了系統(tǒng)的可重復(fù)性以及精度。因?yàn)槿魏螠y(cè)量的精度都只能與其中最薄弱部分的能力相當(dāng)，因此較差的開關(guān)只能帶來較差的測(cè)量精度。
首先要考慮的問題
在設(shè)計(jì)具有信號(hào)開關(guān)的測(cè)試儀時(shí)，做出謹(jǐn)慎的選擇是非常重要的。首先，要從相對(duì)較高的水平上對(duì)測(cè)試計(jì)劃以及待測(cè)器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。然后再視清單中對(duì)于測(cè)試平臺(tái)選擇的可獲取性和資源的可獲取性，進(jìn)而確定哪些是必須從認(rèn)可的供應(yīng)商那里進(jìn)行采購(gòu)的。在選擇過程中關(guān)鍵的因素是測(cè)量精度的可重復(fù)性以及測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。
當(dāng)進(jìn)行到測(cè)試系統(tǒng)的開關(guān)系統(tǒng)時(shí)，這里有許多問題。在開始選擇開關(guān)系統(tǒng)時(shí)，要從這一基本方面入手：即繼電器類型。能夠應(yīng)用于多種應(yīng)用類型的繼電器對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的精度和長(zhǎng)期的使用壽命都是非常重要的。如果某人都發(fā)明工作在26GHz的直流電流、并且能夠重復(fù)性地處理10A到50mA的電流的話，那么這個(gè)人應(yīng)當(dāng)非常富有。但是在現(xiàn)實(shí)中，有許多選擇是由應(yīng)用所決定的。
如圖2所示的簧片繼電器提供了更長(zhǎng)的開關(guān)壽命，并且在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性氣體的環(huán)境中?；善哂欣p繞的卷盤，以確保磁性開關(guān)的精度。 測(cè)試計(jì)劃
在簡(jiǎn)單介紹繼電器的類型之后，是需要進(jìn)入到實(shí)際測(cè)試計(jì)劃的時(shí)間了。這里有一些問題需要回答：
你需要測(cè)試的規(guī)格是什么？當(dāng)對(duì)某個(gè)信號(hào)源進(jìn)行開關(guān)或測(cè)量的時(shí)候，需要處理的最大電壓是多大？需要關(guān)注的最大電流是多少？頻率如何？
對(duì)上述問題具有答案之后，我們可以考慮是否需要熱開關(guān)或者冷開關(guān)（并且分別涉及到開關(guān)或者負(fù)載電流）?；旧?，這就意味著繼電器是通過施加的功率進(jìn)行開關(guān)（熱開關(guān)），亦或是先保持?jǐn)嚅_、然后再施加功率（冷開關(guān)）。大部分的繼電器對(duì)于熱開關(guān)和冷開關(guān)是有差別的。
下一步行動(dòng)
一旦繼電器的類型得到確定之后，開關(guān)的配置就必須確定。一般會(huì)選擇單刀單擲開關(guān)繼電器、多路繼電器或者交叉點(diǎn)繼電器矩陣。然后，需要控制的測(cè)試點(diǎn)數(shù)目必須進(jìn)行考慮。
在較高的頻率下，你會(huì)加入一些額外的需求，諸如能夠承受的最大反射功率，最壞情況下的插入損耗是多少，諸如此類。最后，需要考慮測(cè)試系統(tǒng)所處的應(yīng)用環(huán)境。是否會(huì)有爆炸性氣體？例如，你是否在為應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道或者軍事基地建立測(cè)試儀器？
也許電纜是同樣重要的元件，因?yàn)槟闼褂玫睦^電器可以具有非常低的插入損耗和重復(fù)性，以及你所需要的使用壽命，但是電纜的體積非常的小，這就是一種錯(cuò)誤，或者是質(zhì)量低下的連接器。那么頓時(shí)你就失去了開關(guān)模塊所具有的優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，電纜就成為你的測(cè)試系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)，影響整個(gè)測(cè)量精度。
如何避免失效
即便你決定了繼電器的類型、所需配置的模塊，為了避免發(fā)生問題，你仍然需要關(guān)注可能產(chǎn)生的失效。
首先要考慮的問題是熱開關(guān)。熱開關(guān)會(huì)降低所有機(jī)械繼電器的特性，甚至簧片繼電器和電磁繼電器。繼電器的數(shù)據(jù)表會(huì)給你關(guān)于你所期望的使用壽命的一些數(shù)據(jù)——關(guān)于低級(jí)、中級(jí)以及全功率，并且你會(huì)看到各種繼電器在每個(gè)階段使用壽命的差別。此外，如果系統(tǒng)的運(yùn)行條件非常接近繼電器的極限，你有可能會(huì)損壞繼電器，甚至有可能會(huì)使其著火！
接下來要關(guān)心的問題是，如果電路本身是大電容負(fù)載的情況。有一些你可能會(huì)需要釋放功率的應(yīng)用，例如當(dāng)你改變開關(guān)極性的時(shí)候。這會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，并且它們確實(shí)會(huì)影響你所使用開關(guān)的壽命。明顯地，你不能總是避免這種情況，所以你可能會(huì)在這個(gè)項(xiàng)目中將更高能力的繼電器包括進(jìn)去。
在開發(fā)過程中發(fā)生的其他情況主要是代碼錯(cuò)誤，這可能會(huì)使得繼電器關(guān)閉較長(zhǎng)的時(shí)間，或者你偶然性地將原本需要進(jìn)行冷開關(guān)的電路設(shè)定為熱開關(guān)。人難免會(huì)犯錯(cuò)，所以全面地驗(yàn)證和檢驗(yàn)?zāi)愕拇a是非常重要的。
繼電器規(guī)格可能會(huì)被忽視的另一個(gè)地方是額定功率。繼電器的額定功率并不總是能達(dá)到你所想像的那樣足夠的高。許多測(cè)試和測(cè)量開關(guān)系統(tǒng)都假設(shè)了較低的占空比，因此并沒有考慮連續(xù)性的功率。
你可能會(huì)想，使用最小的電壓并不是問題。再想想，尤其是高電壓應(yīng)用，大部分的高電壓繼電器必須具有可靠的最小電壓開關(guān)特性。如果你試圖對(duì)較低的電壓進(jìn)行開關(guān)，你會(huì)得到較高的電阻，因?yàn)槔^電器的接觸并沒有充分“潤(rùn)滑”。潤(rùn)滑在電磁繼電器中是非常重要的，因?yàn)槔^電器的接觸是暴露在環(huán)境中的，并且會(huì)氧化。（請(qǐng)見下文“潤(rùn)滑”）
另一項(xiàng)需要特別注意的規(guī)格是繼電器的期望壽命。如果你的應(yīng)用會(huì)進(jìn)行數(shù)月甚至數(shù)年的測(cè)試，那么你需要采用具有最大額定壽命的繼電器。否則，在你的測(cè)試周期中加入關(guān)閉時(shí)間和維護(hù)周期，以使得在開關(guān)模塊達(dá)到它們的額定壽命的時(shí)候進(jìn)行置換（如圖4所示）。
關(guān)于“潤(rùn)滑”
對(duì)于我們中那些已經(jīng)測(cè)試了很長(zhǎng)時(shí)間的方式而言，“潤(rùn)滑”這種方式最初是指繼電器的接觸是浸沒在水銀中的應(yīng)用，或者說是通過水銀進(jìn)行“潤(rùn)滑”。這種繼電器通過使用水銀減小接觸電阻和壓降的方法應(yīng)用在許多領(lǐng)域。對(duì)于低電流信號(hào)而言，水銀能夠阻止表面沾污，表面沾污會(huì)使得繼電器的接觸變差；對(duì)于高速應(yīng)用而言，水銀能夠消除繼電器的接觸反彈。
當(dāng)然，因?yàn)樗y的劇毒特性，我們很少再見到使用水銀進(jìn)行潤(rùn)滑的繼電器。所以我們會(huì)使用其他技術(shù)。
當(dāng)今，潤(rùn)滑涉及到流經(jīng)繼電器接觸的最小電流。維基百科對(duì)潤(rùn)滑電流提供了良好的定義：“機(jī)械開關(guān)運(yùn)行過程中需要突破淀積在接觸上的氧化膜，潤(rùn)滑電流是需流經(jīng)機(jī)械開關(guān)的最小電流。氧化膜通常發(fā)生在具有較高濕度或化學(xué)氣體的環(huán)境中。一定量的潤(rùn)滑電流在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常必要的，使用具有較小的接觸壓力的精細(xì)開關(guān)可以作為傳感器輸入。如果不能達(dá)到這種效果，可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)保持電氣“斷開”狀態(tài)，或者由于接觸氧化的原因會(huì)引入比所允許的更高的電阻”。
這就意味著如果你建立的測(cè)試展示了較低阻值的隨機(jī)性電阻或者一直保持?jǐn)嚅_，請(qǐng)仔細(xì)查看你所使用的繼電器的規(guī)格。很有可能你的電路并沒有足夠大的電流來穿通接觸面的氧化層。這就意味著你需要在測(cè)試中改變繼電器的類型，更好的控制自動(dòng)測(cè)試設(shè)備所處的環(huán)境，或者對(duì)繼電器加入“潤(rùn)滑”，以使得其更加適用于測(cè)試。 是什么損壞了？
假設(shè)我們有一個(gè)具有損壞繼電器的多點(diǎn)矩陣，它總是保持?jǐn)嚅_或者關(guān)閉狀態(tài)。你會(huì)見到許多多點(diǎn)的失效，因?yàn)榫仃嚬ぷ髟淼脑颍ㄈ鐖D5所示）。問題在于，要在8000個(gè)繼電器中找到失效的那個(gè)。
評(píng)論