如何降低測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)關(guān)噪聲
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本文所述的噪聲降低技術(shù)準(zhǔn)則是針對(duì)信號(hào)頻率低于300MHz、電壓低于250V、電流小于5A和伏赫乘積小于107。
任何新式測(cè)試系統(tǒng)都用很多信號(hào)和電源線來(lái)仿真和測(cè)量DUT（待測(cè)器件），并有各種各樣的開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)連接。通用測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1?？刂瓶偩€示于圖中左邊。模擬、數(shù)字和電源總線作為垂直線對(duì)示于不同子系統(tǒng)后面。
開(kāi)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，互連很多測(cè)試點(diǎn)到測(cè)量?jī)x器和路由信號(hào)、電源到DUT。幾乎所有模擬和數(shù)字信號(hào)以及電源通過(guò)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。
如果設(shè)計(jì)不注意，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可能是測(cè)量誤差之源。有時(shí)是莫明其妙的誤差。其原因是簡(jiǎn)單的，很多的互連通常彼此緊靠著，這為噪聲耦合提供足夠的機(jī)會(huì)。每個(gè)噪聲問(wèn)題都有一個(gè)噪聲源，以某種形式耦合到接收機(jī)，依次對(duì)噪聲敏感。
解決噪聲總是的步驟
解決噪聲問(wèn)題有3個(gè)步驟
1. 必須識(shí)別噪聲源；
2. 必須確定接收點(diǎn)；
3. 必須確定耦合方法。
至于開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的內(nèi)部噪聲源可有由下列原因產(chǎn)生：驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的電路，開(kāi)關(guān)上的熱不穩(wěn)定性，來(lái)自系統(tǒng)中其他導(dǎo)體的耦合噪聲和系統(tǒng)外部所產(chǎn)生的噪聲。
來(lái)自鄰?fù)ǖ赖脑肼曬詈系綔y(cè)量通道，對(duì)信號(hào)完整性是一個(gè)威脅。耦合噪聲的最重要的原因是電導(dǎo)耦合，共阻抗耦合以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
另外，某些系統(tǒng)對(duì)來(lái)自動(dòng)電動(dòng)作、熱耦噪聲、電解動(dòng)作，熱電效應(yīng)和導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)引起的噪聲敏感。開(kāi)關(guān)系統(tǒng)電路也對(duì)來(lái)自無(wú)線電、電視和其他無(wú)線廣播的電磁輻射敏感。
用機(jī)械設(shè)計(jì)可使熱不穩(wěn)定性最小，保證繼電器中的所有接觸點(diǎn)得到在引腳線中相同的溫度梯度，或用閉鎖繼電器使熱穩(wěn)定度最小，只要有可能，就采用閉鎖繼電器，閉鎖繼電器繞組被激勵(lì)只是瞬時(shí)，通常15~20ms使繼電器觸點(diǎn)傳輸和閉鎖。從而使熱產(chǎn)生源減少，而對(duì)于采用非閉鎖電樞繼電器來(lái)講，這是主要的熱產(chǎn)生源。
適當(dāng)?shù)仄帘魏徒拥丶夹g(shù)，可有效地解決硬連線系統(tǒng)中的很多噪聲耦合問(wèn)題。但是，當(dāng)信號(hào)必須選擇開(kāi)關(guān)到示波器、計(jì)數(shù)器或其他測(cè)量?jī)x器時(shí)，問(wèn)題變得嚴(yán)重了。
很多情況下，噪聲源是系統(tǒng)中的鄰?fù)ǖ溃ù當(dāng)_）。在簡(jiǎn)化的等效電路（圖2）中，開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中的大多數(shù)寄生電容跨接在斷開(kāi)觸點(diǎn)和鄰近導(dǎo)通通路之間。如同任何電容那樣，噪聲耦合是面積和距離的函數(shù)。所以，降低耦合的簡(jiǎn)單方法是開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線彼此之間的分離。
但是，希望增加開(kāi)關(guān)密度，在一個(gè)較小的封裝內(nèi)能提供更多能力。當(dāng)今被測(cè)系統(tǒng)趨于更復(fù)雜和具有更多的點(diǎn)線。所以，測(cè)試工程師面對(duì)增加無(wú)件密度和同時(shí)增加通道間距離的困難。
在某種情況下，對(duì)一個(gè)噪聲問(wèn)題的解決方案，對(duì)待不同的噪聲問(wèn)題可能會(huì)降低方案的有效性。必須很好的了解噪聲源、耦合方法和噪聲接收器，以便對(duì)這些因素做適當(dāng)?shù)恼壑钥紤]。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)線直徑40倍的物理分離距離將衰減噪聲8dB左右。導(dǎo)線間更大的分離幾乎沒(méi)有影響。
樹(shù)開(kāi)關(guān)
樹(shù)開(kāi)關(guān)分離彼此的開(kāi)關(guān)列，這對(duì)于降低大系統(tǒng)中雜散斷開(kāi)開(kāi)關(guān)電容是相當(dāng)有效的，這種雜散電容是連接系統(tǒng)中未用并聯(lián)繼電器所引起的。如圖2所示，樹(shù)開(kāi)關(guān)置在左邊H、L、G線和左邊16通道的3列之間。引入的繼電器與輸入繼電器串聯(lián)可降低這種雜散電容。
對(duì)于16通道多路開(kāi)關(guān)，這種串聯(lián)開(kāi)關(guān)配置能有效地降低測(cè)量電路的雜散電容。這使串?dāng)_小、測(cè)量建立時(shí)間快。
T開(kāi)關(guān)
T開(kāi)關(guān)是把所有未用通道與測(cè)量總線隔離，用低電容通路到地。這種隔離是在單導(dǎo)線上實(shí)現(xiàn)的，在信號(hào)通路中插入2個(gè)，另外的接點(diǎn)。結(jié)果在高頻具有良好的通道間信號(hào)隔離。
T開(kāi)關(guān)原理說(shuō)明示于圖3。圖中所示上面的源VN與負(fù)載電阻斷開(kāi)，這是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)A和B是新斷開(kāi)的，開(kāi)關(guān)C是閉合的。因此，開(kāi)關(guān)的T部分有效地并接到地。然而，在另一個(gè)位置具有相應(yīng)觸點(diǎn)的下部源VS連接到負(fù)載R2。
降低開(kāi)關(guān)電容和耦合噪聲的另一方法是使開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間隙大或使觸點(diǎn)面積特別小。例如，Agilent 876A同軸SPDT開(kāi)關(guān)在其開(kāi)關(guān)動(dòng)作中利用非常長(zhǎng)的接入。這使斷開(kāi)觸點(diǎn)間隙最大。此開(kāi)關(guān)是封裝在精密的金屬殼中，以保證大于18GHz的信號(hào)完整性。
最佳化接地
應(yīng)同樣重視系統(tǒng)其余部分的設(shè)計(jì)，接地和屏蔽可解決大部分的噪聲問(wèn)題。不合理的接地可能是主要的噪聲源。一個(gè)有效的接地系統(tǒng)必須使從兩個(gè)或多個(gè)電路流經(jīng)公共地阻抗的電流所產(chǎn)生的噪聲電壓最小，并避免生成對(duì)磁場(chǎng)和地電位差敏感的地環(huán)路。
盡管接地有很多可能的原因，但兩個(gè)最普通的原因是提供安全和為信號(hào)電壓提供一個(gè)等電位基準(zhǔn)。提供安全地，使得儀器機(jī)箱之間的阻抗破壞和電源線的高壓線經(jīng)低阻抗通路到地。這樣的地總是在零電壓電位。信號(hào)地可以或不是在零電壓而可以認(rèn)為是電路或系統(tǒng)的等電位電路基準(zhǔn)點(diǎn)，或電流返回到源的低阻抗通路。
首先，確定是理想地的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)明。第二強(qiáng)調(diào)IR壓降的事實(shí)，這可發(fā)生在地平板內(nèi)并耦合噪聲進(jìn)入信號(hào)導(dǎo)線。
設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)將具有信號(hào)通路和確定的返回通路，因?yàn)檫@兩個(gè)通路對(duì)于工作系統(tǒng)是基本的。但是，往往忽略了返回通路。
工程師往往花費(fèi)很大的力量設(shè)計(jì)從一個(gè)系統(tǒng)到另一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)通路，但往往忽略返回通路。若在設(shè)計(jì)期間忽視返回通路，則放電路經(jīng)降低噪聲的任務(wù)就變得更加困難。
設(shè)計(jì)不好的返回通路可改變依賴關(guān)系。改變返回通路可出現(xiàn)間斷問(wèn)題，并產(chǎn)生不希望噪聲的出現(xiàn)。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，對(duì)于系統(tǒng)的不同元件需要分離地返回通路。低電平信號(hào)地應(yīng)該與硬件地和有噪聲的地（如繼電器和馬達(dá)地）分離。在敏感系統(tǒng)中，分離信號(hào)地為低電平和數(shù)字地，避免較高電平，較多噪聲的數(shù)字信號(hào)耦合到低電平信號(hào)線。
若AC電源分布在整個(gè)系統(tǒng)，則電源地應(yīng)該連接到扣殼或硬件地。單地基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)該用于低電平工作。另外，地電平的任何差別將在信號(hào)通路中呈現(xiàn)出噪聲。
如圖4所示，若儀器的低端接地（Z2=0），則ECM直接跨接在R6，它是與輸入信號(hào)串聯(lián)，然而，浮置的儀器低端（見(jiàn)圖4）使Z2增加到較大的值，并構(gòu)成電壓分壓器，這可降低測(cè)量通路噪聲大約R6/Z2倍。
單點(diǎn)地系統(tǒng)
單地不是單點(diǎn)就是多點(diǎn)。單點(diǎn)地可以并聯(lián)或串聯(lián)。為了避免噪聲耦合，最合乎需求的霎地方法是串聯(lián)地。這也是最便宜和最容易連線的，所以最廣泛采用。
對(duì)于非關(guān)鍵性應(yīng)用，串聯(lián)地工作令人滿意。最關(guān)鍵性電路應(yīng)放置在最靠近主地點(diǎn)。
在高頻，限制并聯(lián)單點(diǎn)連接地采用。地導(dǎo)線電感增加地阻抗，而幾個(gè)并聯(lián)地導(dǎo)線會(huì)引起它們之間的電容耦合。隨著頻率的增高，情況會(huì)更加嚴(yán)重，在足夠高的高頻，接地線將如同天線并幅射噪聲。通常，接地線的長(zhǎng)度應(yīng)小于波長(zhǎng)的1/20，以避免幅射和保持低阻抗。
多點(diǎn)地系統(tǒng)
多點(diǎn)地系統(tǒng)用在高頻，在多點(diǎn)地系統(tǒng)中，來(lái)自所有電路的所有地電流流經(jīng)公共地阻抗。通常，連接電路到最近的可用的低阻抗地平板，這往往是系統(tǒng)機(jī)殼。
地平板的低阻抗是由于它的較低的電感所致。到地平板的連接必須盡可能短以使電路和地之間的阻抗最小。
頻率低于1MHz，通常單點(diǎn)地系統(tǒng)是較好的；10MHz以上，多點(diǎn)地系統(tǒng)是最好的。對(duì)于1~10MHz，若最長(zhǎng)的地返回長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的1/20，則可采用單點(diǎn)地系統(tǒng)。假若這是不可能的，則應(yīng)該采用多點(diǎn)地系統(tǒng)。
纜線比較
選擇合適的纜線類型是一個(gè)主要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，在兩個(gè)屏蔽間具有絕緣的雙屏蔽同軸電纜或3線電纜，能提供抗噪聲耦合的最大保護(hù)。因?yàn)樵肼曤娏髁鹘?jīng)外層屏蔽，信號(hào)返回電流流經(jīng)內(nèi)層屏蔽，這使得兩個(gè)電流不流經(jīng)一個(gè)公共阻抗，并不產(chǎn)生噪聲耦合。
帶屏蔽地的同軸電纜1個(gè)點(diǎn)時(shí)，能提供對(duì)電容拾取噪聲的真正有價(jià)值的保護(hù)。在1MHz以上，沿同軸纜屏蔽表面的趨映效應(yīng)勢(shì)必會(huì)在影響噪聲電流將流經(jīng)屏蔽外部，信號(hào)返回電流將流經(jīng)屏蔽內(nèi)部。在DC-VHF頻率（30MHz_300MHz），同軸電纜的阻抗比較一致。
雙絞線和屏蔽雙絞線適合于幾百KHz的應(yīng)用。然而，幾百KHz以上，這類電纜易于信號(hào)損失。屏蔽雙絞線在較低頻率，其性能可與同軸電纜相比。除非同在平衡電路中，非屏蔽雙絞線抗電容拾取噪聲的能力較弱。然而，它對(duì)磁拾取具有效的抗噪聲度。
保持經(jīng)過(guò)連接器的信號(hào)完整性
只要有可能，應(yīng)該保持信號(hào)及其屏蔽能經(jīng)過(guò)連接器。隔離的BNC連接器近乎理想，因?yàn)闉槠帘问沁B續(xù)的上保持電纜隔離和阻抗。
但是，這樣的連接器在測(cè)試系統(tǒng)中往往是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)闇y(cè)試系統(tǒng)需要較高密度的連接器。在這種情況下，高電平和低電平信號(hào)應(yīng)該經(jīng)分離連接器運(yùn)行。若它們必須經(jīng)同一連接器運(yùn)行，則它們放置在相隔盡可能遠(yuǎn)處，用接地線放置在它們之間以增強(qiáng)隔離。
通過(guò)分離引腳的連接器，必須保持屏蔽。連接所有的屏蔽到單引腳或連接器外殼會(huì)形成地環(huán)路并使屏蔽電流流經(jīng)個(gè)別屏蔽間。
纜線線束和連接器準(zhǔn)則
DUT和開(kāi)關(guān)系統(tǒng)之間的接口為噪聲進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)提供方便通路。為避免此問(wèn)題應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：
纜線線束
* 高電平和低電平引線不應(yīng)共享同一纜線線束。
* 在系統(tǒng)中不應(yīng)該破壞屏蔽的完整性。
* 對(duì)于低頻，應(yīng)該隔離屏蔽以避免在系統(tǒng)其地點(diǎn)接地。
連接器
* 在連接器中應(yīng)該分離高電平和低電平引線。
* 接地線應(yīng)該盡可能放置在信號(hào)引線之間。
* 任何未用的連接器引腳應(yīng)放置在信號(hào)引線之間，并應(yīng)接地。
* 每個(gè)纜線屏蔽應(yīng)有自身的連接器引腳通過(guò)電接器。
結(jié)語(yǔ)
在測(cè)試系統(tǒng)中為了得到精確的測(cè)量，保持信號(hào)完整性是極其重要的。最好的方法是抑制噪聲和保持噪聲耦合最小。根據(jù)DUT、測(cè)試儀器，開(kāi)關(guān)和其他元件及連接器的輸入和輸出特性，仔細(xì)關(guān)注合適的接地和屏蔽可以做到這點(diǎn)。
對(duì)于當(dāng)今高性能系統(tǒng)，小的誤差可能導(dǎo)致顯著的噪聲。適中的頻率和幅度是相當(dāng)容易路由和測(cè)量的，但必須注意避免地環(huán)路。對(duì)于高頻和低電平信號(hào)需要特別注意開(kāi)關(guān)類型和開(kāi)關(guān)配置，以保持整個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)完整性。
圖1、通用測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2、樹(shù)開(kāi)關(guān)
圖3、T開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)圖
圖4、浮置儀器的等效電路
評(píng)論