怎樣去降低測試系統開(kāi)關(guān)噪聲
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本文所述的噪聲降低技術(shù)準則是針對信號頻率低于300MHz、電壓低于250V、電流小于5A和電壓乘赫茲積小于107。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201612/333227.htm任何新式測試系統都用很多信號和電源線(xiàn)來(lái)仿真和測量DUT（待測器件），并有各種各樣的開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)連接。通用測試系統結構示于圖1?？刂?strong>總線(xiàn)示于圖中左邊。模擬、數字和電源總線(xiàn)作為垂直線(xiàn)對示于不同子系統后面。
開(kāi)關(guān)是整個(gè)系統的中心，互連很多測試點(diǎn)到測量?jì)x器和路由信號、電源到DUT。幾乎所有模擬和數字信號以及電源通過(guò)開(kāi)關(guān)系統。
如果設計不注意，開(kāi)關(guān)系統可能是測量誤差之源。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(zhù)，這為噪聲耦合提供足夠的機會(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，依次對噪聲敏感。
解決噪聲問(wèn)題有3個(gè)步驟
必須識別噪聲源；
必須確定接收點(diǎn)；
必須確定耦合方法。
至于開(kāi)關(guān)系統中的內部噪聲源可由下列原因產(chǎn)生：驅動(dòng)開(kāi)關(guān)的電路，開(kāi)關(guān)上的熱不穩定性，來(lái)自系統中其他導體的耦合噪聲和系統外部所產(chǎn)生的噪聲。
來(lái)自鄰通道的噪聲耦合到測量通道，對信號完整性是一個(gè)威脅。耦合噪聲的最重要的原因是電導耦合，共阻抗耦合以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
另外，某些系統對來(lái)自電動(dòng)作、熱耦噪聲、電解動(dòng)作，熱電效應和導體運動(dòng)引起的噪聲敏感。開(kāi)關(guān)系統電路也對來(lái)自無(wú)線(xiàn)電、電視和其他無(wú)線(xiàn)廣播的電磁輻射敏感。
用機械設計可使熱不穩定性最小，保證繼電器中的所有接觸點(diǎn)得到在引腳線(xiàn)中相同的溫度梯度，或用閉鎖繼電器使熱穩定度最小，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。
適當地屏蔽和接地技術(shù)可有效地解決硬連線(xiàn)系統中的很多噪聲耦合問(wèn)題。但是，當信號必須選擇開(kāi)關(guān)到示波器、計數器或其他測量?jì)x器時(shí)，問(wèn)題變得嚴重了。
很多情況下，噪聲源是系統中的鄰通道串擾。在簡(jiǎn)化的等效電路（圖2）中，開(kāi)關(guān)系統中的大多數寄生電容跨接在斷開(kāi)觸點(diǎn)和鄰近導通通路之間。如同任何電容那樣，噪聲耦合是面積和距離的函數。所以，降低耦合的簡(jiǎn)單方法是開(kāi)關(guān)和導線(xiàn)彼此之間的分離。
但是，希望增加開(kāi)關(guān)密度，在一個(gè)較小的封裝內能提供更多能力。當今被測系統趨于更復雜和具有更多的點(diǎn)線(xiàn)。所以，測試工程師面對增加元件密度和同時(shí)增加通道間距離的困難。
在某種情況下，對一個(gè)噪聲問(wèn)題的解決方案，對待不同的噪聲問(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，以便對這些因素做適當的折衷考慮。
根據經(jīng)驗，導線(xiàn)直徑40倍的物理分離距離將衰減噪聲8dB左右。導線(xiàn)間更大的分離幾乎沒(méi)有影響。
樹(shù)形開(kāi)關(guān)分離彼此的開(kāi)關(guān)列，這對于降低大系統中雜散斷開(kāi)開(kāi)關(guān)電容是相當有效的，這種雜散電容是連接系統中未用并聯(lián)繼電器所引起的。如圖2所示，樹(shù)形開(kāi)關(guān)置在左邊H、L、G線(xiàn)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量電路的雜散電容。這使串擾小、測量建立時(shí)間快。
T形開(kāi)關(guān)
T形開(kāi)關(guān)是把所有未用通道與測量總線(xiàn)隔離，用低電容通路到地。這種隔離是在單導線(xiàn)上實(shí)現的，在信號通路中插入2個(gè)另外的接點(diǎn)。結果在高頻具有良好的通道間信號隔離。
T形開(kāi)關(guān)原理說(shuō)明示于圖3。圖中所示上面的源VN與負載電阻斷開(kāi)，這是因為開(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)位置具有相應觸點(diǎn)的下部源VS連接到負載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(cháng)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的信號完整性。
最佳化接地
應同樣重視系統其余部分的設計，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電壓提供一個(gè)等電位基準。提供安全地，使得儀器機箱之間的阻抗破壞和電源線(xiàn)的高壓線(xiàn)經(jīng)低阻抗通路到地。這樣的地總是在零電壓電位。信號地可以或不是在零電壓而可以認為是電路或系統的等電位電路基準點(diǎn)，或電流返回到源的低阻抗通路。
首先，確定是理想地的標準說(shuō)明。第二強調IR壓降的事實(shí)，這可發(fā)生在地平板內并耦合噪聲進(jìn)入信號導線(xiàn)。
設計合理的系統將具有信號通路和確定的返回通路，因為這兩個(gè)通路對于工作系統是基本的。但是，往往忽略了返回通路。
設計不好的返回通路可改變依賴(lài)關(guān)系。改變返回通路可出現間斷問(wèn)題，并產(chǎn)生不希望噪聲。
在大多數系統中，對于系統的不同元件需要分離地返回通路。低電平信號地應該與硬件地和有噪聲的地（如繼電器和馬達地）分離。在敏感系統中，分離信號地為低電平和數字地，避免較高電平，較多噪聲的數字信號耦合到低電平信號線(xiàn)。
若AC電源分布在整個(gè)系統，則電源地應該連接到扣殼或硬件地。單地基準點(diǎn)應該用于低電平工作。另外，地電平的任何差別將在信號通路中呈現出噪聲。
如圖4所示，若儀器的低端接地（Z2=0），則ECM直接跨接在Rb，它是與輸入信號串聯(lián)，然而，浮置的儀器低端（見(jiàn)圖4）使Z2增加到較大的值，并構成電壓分壓器，這可降低測量通路噪聲大約Rb/Z2倍。
單點(diǎn)地系統
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，最合乎需求的接地方法是串聯(lián)地。這也是最便宜和最容易連線(xiàn)的，所以最廣泛采用。
對于非關(guān)鍵性應用，串聯(lián)地工作令人滿(mǎn)意。最關(guān)鍵性電路應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。地導線(xiàn)電感增加地阻抗，而幾個(gè)并聯(lián)地導線(xiàn)會(huì )引起它們之間的電容耦合。隨著(zhù)頻率的增高，情況會(huì )更加嚴重，在足夠高的高頻，接地線(xiàn)將如同天線(xiàn)并幅射噪聲。通常，接地線(xiàn)的長(cháng)度應小于波長(cháng)的1/20，以避免幅射和保持低阻抗。
多點(diǎn)地系統
多點(diǎn)地系統用在高頻，在多點(diǎn)地系統中，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，這往往是系統機殼。
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)地系統是較好的；10MHz以上，多點(diǎn)地系統是最好的。對于1”10MHz，若最長(cháng)的地返回長(cháng)度小于波長(cháng)的1/20，則可采用單點(diǎn)地系統。假若這是不可能的，則應該采用多點(diǎn)地系統。
纜線(xiàn)比較
選擇合適的纜線(xiàn)類(lèi)型是一個(gè)主要的系統設計功能，在兩個(gè)屏蔽間具有絕緣的雙屏蔽同軸電纜或3線(xiàn)電纜，能提供抗噪聲耦合的最大保護。因為噪聲電流流經(jīng)外層屏蔽，信號返回電流流經(jīng)內層屏蔽，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在1個(gè)點(diǎn)，能提供對電容拾取噪聲的真正有價(jià)值的保護。在1MHz以上，沿同軸纜屏蔽表面的趨膚效應勢必會(huì )在影響噪聲電流流經(jīng)屏蔽外部，信號返回電流將流經(jīng)屏蔽內部。在DC-VHF頻率（30MHz“300MHz），同軸電纜的阻抗比較一致。
雙絞線(xiàn)和屏蔽雙絞線(xiàn)適合于幾百KHz的應用。然而，幾百KHz以上，這類(lèi)電纜易于信號損失。屏蔽雙絞線(xiàn)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(xiàn)抗電容拾取噪聲的能力較弱。然而，它對磁拾取具有有效的抗噪聲度。
保持經(jīng)過(guò)連接器的信號完整性
只要有可能，應該保持信號及其屏蔽能經(jīng)過(guò)連接器。隔離的BNC連接器近乎理想，因為為屏蔽是連續的保持電纜隔離和阻抗。
但是，這樣的連接器在測試系統中往往是不現實(shí)的，因為測試系統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應該經(jīng)分離連接器運行。若它們必須經(jīng)同一連接器運行，則它們放置在相隔盡可能遠處，用接地線(xiàn)放置在它們之間以增強隔離。
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)別屏蔽之間。
纜線(xiàn)線(xiàn)束和連接器準則
DUT和開(kāi)關(guān)系統之間的接口為噪聲進(jìn)入測試系統提供方便通路。為避免此問(wèn)題應遵從下列準則：
纜線(xiàn)線(xiàn)束
高電平和低電平引線(xiàn)不應共享同一纜線(xiàn)線(xiàn)束。
在系統中不應該破壞屏蔽的完整性。
對于低頻，應該隔離屏蔽以避免在系統其地點(diǎn)接地。
連接器
在連接器中應該分離高電平和低電平引線(xiàn)。
接地線(xiàn)應該盡可能放置在信號引線(xiàn)之間。
任何未用的連接器引腳應放置在信號引線(xiàn)之間，并應接地。
每個(gè)纜線(xiàn)屏蔽應有自身的連接器引腳通過(guò)電接器。
結語(yǔ)
在測試系統中為了得到精確的測量，保持信號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DUT、測試儀器，開(kāi)關(guān)和其他元件及連接器的輸入和輸出特性，仔細關(guān)注合適的接地和屏蔽可以做到這點(diǎn)。
對于當今高性能系統，小的誤差可能導致顯著(zhù)的噪聲。適中的頻率和幅度是相當容易路由和測量的，但必須注意避免地環(huán)路。對于高頻和低電平信號需要特別注意開(kāi)關(guān)類(lèi)型和開(kāi)關(guān)配置，以保持整個(gè)系統中信號完整性。
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