智能型PXI Switch Module在自動化測控系統(tǒng)中的應用

前言

使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號切換，廣泛地應用于IC測試、電力監(jiān)測管理、工業(yè)流程與交通控制領(lǐng)域。

近年來隨著消費電子產(chǎn)品走向多樣化，生命周期縮短，價格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動測試設(shè)備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題。在工業(yè)控制及相關(guān)應用領(lǐng)域，價昂、封閉規(guī)格的專用控制系統(tǒng)則面臨PC-Based測控解決方案開放、價廉與高效能的挑戰(zhàn)。

本文對繼電器信號切換所做的技術(shù)簡介與實例應用介紹，將使讀者了解架構(gòu)于PXI系統(tǒng)上的智能型PXI Switch Module，對高效能測控所帶來的好處。

基本拓樸（Basic Topology）

構(gòu)成Switch Module的開關(guān)具有多種形式，可粗分為電磁式與半導體式，前者包含電磁式機械繼電器(Electro-mechanical Relay)、磁簧繼電器(Reed Relay)，后者包含場效應晶體管開關(guān)(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等。以下內(nèi)容主要以電磁式繼電器為主。

常見的Switch Module的結(jié)構(gòu)示意圖有下列三種：

General Purpose

如圖 1，這種結(jié)構(gòu)采用多個相互隔離的單刀單擲型繼電器(SPST Relay)或單刀雙擲型繼電器(SPDT Relay)。一般做為開關(guān)控制電動機、風扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

Multiplexer/Scanner

如圖 2，為n進1出的多任務器/解多任務器型，適用于多組信號源必需使用同一個信號端口的情形，反之亦可。

Matrix

如圖 3，為m進n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進行多重信號的交換耦合，也可使用軟件規(guī)劃為其它兩種結(jié)構(gòu)，適合架構(gòu)復雜且高度靈活的測試設(shè)備。

對于高精度量測常使用2-wire及4-wrie接線模式，Relay Switch模塊會對差分信道進行特性匹配以獲得準確結(jié)果。

電磁式繼電器的切換瞬時特性

使用電磁式繼電器作為信號切換時，應先對其延遲特性有初步了解，方能獲得快速且準確的量測結(jié)果。使用者常以繼電器開關(guān)的動態(tài)導通電阻來估算理想的量測時間點，兩個重要的時間參數(shù)為（參考圖 4）：

1)Operate Time：驅(qū)動電路推動繼電器直至開關(guān)第一次閉合的時間，為A-B區(qū)段。

2)Bounce Time：繼電器第一次閉合直至開關(guān)彈跳(Bounce)結(jié)束的時間，為B-C區(qū)段。

實際上使用者可能會希望有充足的時間讓系統(tǒng)達到最終穩(wěn)定狀態(tài)，則必需在C點后加入自定的穩(wěn)定延遲時間(Settling Time)，從而最終采樣時間點將落在D點。因此，自驅(qū)動電路推動繼電器后，共需經(jīng)過Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進行有效量測。前兩項參數(shù)會因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變，第三項參數(shù)則隨測試儀器與被測物的搭配而存在一定的差異。

為了提升測試系統(tǒng)的整體效能，使用者必需盡量縮短信號切換的時間，同時又要顧及信號完整性(signal integrity)。此外，主系統(tǒng)可能還需要提供大量運算資源進行數(shù)據(jù)處理分析、報表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機接口。