如何正確地為測(cè)試系統(tǒng)選擇開關(guān)？

每種開關(guān)系統(tǒng)都會(huì)涉及到不同的情況的取舍。有時(shí)商業(yè)上的需求會(huì)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(shí)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(shí)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(huì)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(gè)7位半的數(shù)字萬用表（DMM）和一個(gè)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(xiàng)可能產(chǎn)生誤差的原因考慮。在其他一些例子中，用戶意識(shí)到了可能會(huì)出現(xiàn)的誤差，但是他們并不能有效的約束或者控制這個(gè)誤差。

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

一個(gè)值得引以為戒的例子

當(dāng)我們?cè)诤鸵患掖笮歪t(yī)療設(shè)備公司合作的時(shí)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(duì)方為自己集成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，以便對(duì)起搏器中使用的電纜的可靠性進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的要求很簡單：只需要測(cè)量當(dāng)幾個(gè)電線相互彎曲和扭曲的時(shí)候的電阻值。這個(gè)系統(tǒng)需要探測(cè)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(gè)6位半的PXI DMM，這樣的選擇更多的出于對(duì)商業(yè)關(guān)系的考慮，而不是對(duì)技術(shù)要求的考慮。從而導(dǎo)致的結(jié)果是系統(tǒng)測(cè)量顯示的結(jié)果在200mΩ的范圍內(nèi)變化，因此這個(gè)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(yàn)，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(gè)無用且昂貴的系統(tǒng)，項(xiàng)目被延期交付，集成商也沒有對(duì)產(chǎn)生問題的給出合理解釋和解決方案，項(xiàng)目宣告失敗。

最終，這個(gè)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(cè)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(gè)Signametrics公司的SMX4032儀器開關(guān)卡和一個(gè)SMX2064 7位半的DMM給這個(gè)客戶，并且保證如果不能使用的話我們會(huì)全額退款。采用了我們建議的設(shè)備后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況很好，現(xiàn)在那位客戶也很滿意。

為什么會(huì)發(fā)生這種情況呢？當(dāng)你認(rèn)識(shí)到在這個(gè)情況下存在的許多不定因素的時(shí)候，你就會(huì)覺得這個(gè)問題很容易回答了。這個(gè)終端用戶是機(jī)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(cè)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(shí)，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(duì)他的產(chǎn)品進(jìn)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(dāng)你選擇開關(guān)系統(tǒng)的時(shí)候，很有可能產(chǎn)生一些對(duì)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(dāng)要在不同測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行信號(hào)傳送時(shí)，開關(guān)時(shí)一種理想、簡便的儀器。其實(shí)并不是這樣的。這種想法會(huì)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(jìn)行連接。如果后續(xù)的需求需要改變的話，只需要進(jìn)行簡單的軟件的改變就可以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)也并不完全正確。如果這樣做的話，你會(huì)為此付出沉重的代價(jià)。

如果你認(rèn)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(cuò)了。

如果需要測(cè)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(shí)現(xiàn)。這種想法肯定也是不正確的。開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)說明書上所提到的所有功能。如果說明書上沒有標(biāo)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(jìn)行精密電阻測(cè)量的話，一個(gè)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(diǎn)是，無論是矩陣還是多路復(fù)用器都是一種開關(guān)拓?fù)浣Y(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(jìn)行連接。當(dāng)后續(xù)的應(yīng)用中需求發(fā)生了變化，那么只需要進(jìn)行軟件的改變就可以實(shí)現(xiàn)。并且簡單的外圍電路圖顯得很簡潔。

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

一個(gè)比較劃算的方法來實(shí)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(gè)別的繼電器觸點(diǎn)，這樣的話就會(huì)明顯的降低系統(tǒng)的精確性。這種精度的降低會(huì)以增加繼電器的泄漏電流和熱補(bǔ)償電壓這兩種形式表現(xiàn)出來。同時(shí)，還要考慮將繼電器觸點(diǎn)和矩陣進(jìn)行焊接所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)檫@里沒有對(duì)多路復(fù)用器進(jìn)行保護(hù)，而多路復(fù)用器中的所有繼電器在自動(dòng)打開前都會(huì)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(hào)切換到測(cè)試卡上。如果包含了很多個(gè)輸入，那么利用更多的子總線添加更多的掃描卡來實(shí)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(huì)提供一些軟件工具來簡化開關(guān)卡的控制。當(dāng)輸入狀態(tài)為高阻抗的時(shí)候，多路復(fù)用器可能會(huì)產(chǎn)生一些遺漏問題，但是對(duì)于微弱信號(hào)基本上不會(huì)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?yàn)樗m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(huì)導(dǎo)致許多測(cè)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(cè)（RTD）和熱電偶測(cè)量中就會(huì)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(cè)量方法并不能完全消除溫度偏置電壓。第二個(gè)因素就是由于接近PCB的布線和繼電器，高密度開關(guān)會(huì)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(gè)很小的空間里，但是，它并不適用于微弱信號(hào)的精密檢測(cè)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(jìn)行切換。如果要測(cè)量低于10Ω的電阻，比如在連續(xù)性測(cè)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(gè)值高的話，就會(huì)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(rèn)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(dòng)勢(shì)和低接觸電阻時(shí)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(huì)注意到它的測(cè)量精度可以達(dá)到幾微伏。甚至一個(gè)比較好的5位半的DMM的精度也會(huì)達(dá)到50µV。如果將信號(hào)通過一個(gè)會(huì)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(dá)到的精度。

表1 不同開關(guān)配置的誤差值

表1中說明了當(dāng)你應(yīng)用不同質(zhì)量的開關(guān)對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)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(dāng)于5位的DMM甚至更糟。

進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，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(huì)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(cè)量的百分比數(shù)，如圖2中所示。圖中描述了電阻測(cè)量中不同開關(guān)卡的誤差分布。它是由標(biāo)準(zhǔn)的萬用表對(duì)電流和低于2V的電壓進(jìn)行測(cè)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(cè)量電流而產(chǎn)生的。

圖2 采用不同開關(guān)配置對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量的誤差分布

如圖2所示，開關(guān)系統(tǒng)會(huì)使電阻測(cè)量的精度遠(yuǎn)低于預(yù)期值。但是，我們可以做一些事情來彌補(bǔ)這個(gè)不足：

很多DMM都有偏置歐姆的功能，這個(gè)功能可以部分地校正這個(gè)誤差。這個(gè)會(huì)明顯的增加測(cè)量時(shí)間和噪聲。

一些DMM使用10mA的激勵(lì)電流對(duì)低電阻值進(jìn)行測(cè)量。這可以使在對(duì)低于20Ω電阻時(shí)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(cè)量方法并不能改變那些誤差。四線測(cè)量只能消除在測(cè)量過程中由test-lead resistance產(chǎn)生的誤差；而對(duì)于減小測(cè)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(dāng)磁場打開的時(shí)候就會(huì)形成一個(gè)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(diǎn)會(huì)形成一個(gè)熱電偶，而這個(gè)熱電偶會(huì)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(jì)時(shí)有不同的側(cè)重點(diǎn)，因此在不同的繼電器上的溫度就會(huì)有些不同。正因?yàn)槿绱?，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(jí)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(shí)安全設(shè)備開始運(yùn)動(dòng)。

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(shí)不能工作在干式接點(diǎn)轉(zhuǎn)換模式。換句話說，只有當(dāng)接點(diǎn)上流過的電流符合繼電器的要求時(shí)，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(shí)，需要兩種不同的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

RF

分離高頻的和低衰減的需要特殊開關(guān)拓?fù)浣Y(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(dòng)器是否支持你需要的拓?fù)錂C(jī)構(gòu)呢？合適的軟件會(huì)使你的工作變得相當(dāng)簡單。否則的話就會(huì)使你的工作變得很復(fù)雜。

在對(duì)開關(guān)進(jìn)行排列的時(shí)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(cè)量采用四線式。

電路內(nèi)的歐姆測(cè)量采用六線式。

一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序包會(huì)隨著一些開關(guān)卡一起贈(zèng)送，這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序包的作用就是使這些配置很容易開始執(zhí)行。一臺(tái)機(jī)載的微控制器就可以高效快速地進(jìn)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(gè)廠商都有他們各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。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(jìn)行詳談。

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