如何正確地為測試系統(tǒng)選擇開關

　　我們經(jīng)常會責備一些創(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用。你需要在所要實現(xiàn)的需求的基礎上設計合適的開關系統(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。

　　一個值得引以為戒的例子

　　當我們在和一家大型醫(yī)療設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)關系的考慮，而不是對技術要求的考慮。從而導致的結果是系統(tǒng)測量顯示的結果在200mΩ的范圍內變化，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，并且供應商沒有提供任何技術支持。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的技術背景。最初的那位銷售人員也沒有足夠的儀器技術知識，所以不能很好的理解客戶提出的需求。而提供設備的供應商也沒有對他的產(chǎn)品進行有效的技術支持。這一系列問題最終導致產(chǎn)生了前面的結果。

　　可疑的假設

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

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

　　矩陣開關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，只需要通用的開關或者矩陣開關就可以很好的實現(xiàn)。這種想法肯定也是不正確的。開關可以實現(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VS.多路復用器

　　首先一點是，無論是矩陣還是多路復用器都是一種開關拓撲結構。矩陣開關是很通用的。它能夠將任何輸入和任何輸出進行連接。當后續(xù)的應用中需求發(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)矩陣是采用開關樹的結構。但是這種樹形結構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險，這是因為這里沒有對多路復用器進行保護，而多路復用器中的所有繼電器在自動打開前都會關閉選定的通道。

　　多路復用器的使用更加簡單。它采用先開后合的順序將n路輸入中的一路轉換到子總線上。然后用一組開關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。

　　某些多路復用器允許將n選一的輸入轉換為4選1的輸出(如圖1)。更多的多路復用器還會提供一些軟件工具來簡化開關卡的控制。當輸入狀態(tài)為高阻抗的時候，多路復用器可能會產(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

　　很多工程師喜歡選擇高密度的開關，因為它適用于很多的應用。

　　有些問題并不是通過通過閱讀說明書就能明顯看出來的，但是這些問題會導致許多測量功能明顯降低。由于高密度開關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，高密度開關會產(chǎn)生更多的噪聲。

　　圖1 Signametrics公司的SMX4032的儀器技術開關卡

　　總之，高密度開關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用中。

　　儀器開關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。

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

　　為什么說低熱電動勢和低接觸電阻時至關重要的呢?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 不同開關配置的誤差值

　　表1中說明了當你應用不同質量的開關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，儀器技術開關所引入的誤差比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上的半導體。也就是說，開關系統(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降低測量電流而產(chǎn)生的。

　　圖2 采用不同開關配置對電阻進行測量的誤差分布