如何為自動(dòng)測試系統挑選合適的信號開(kāi)關(guān)
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自動(dòng)測試系統，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的單元，這取決于特定的應用場(chǎng)合，但是在幾乎所有的例子中，信號開(kāi)關(guān)都是很常見(jiàn)的模塊。沒(méi)有任何一款信號開(kāi)關(guān)系統能夠適用于任何應用，因此對于適當的系統元件的選擇就變得非常重要。
對于適當的信號開(kāi)關(guān)的選擇要比大多數測試工程師對它的信賴(lài)要重要的多。信號開(kāi)關(guān)負責測試單元與激發(fā)和響應儀器之間的連接工作（如圖1所示）。恰當的連接確保了系統的可重復性以及精度。因為任何測量的精度都只能與其中最薄弱部分的能力相當，因此較差的開(kāi)關(guān)只能帶來(lái)較差的測量精度。
首先要考慮的問(wèn)題
在設計具有信號開(kāi)關(guān)的測試儀時(shí)，做出謹慎的選擇是非常重要的。首先，要從相對較高的水平上對測試計劃以及待測器件的設計進(jìn)行評估。然后再視清單中對于測試平臺選擇的可獲取性和資源的可獲取性，進(jìn)而確定哪些是必須從認可的供應商那里進(jìn)行采購的。在選擇過(guò)程中關(guān)鍵的因素是測量精度的可重復性以及測試系統的可靠性。
當進(jìn)行到測試系統的開(kāi)關(guān)系統時(shí)，這里有許多問(wèn)題。在開(kāi)始選擇開(kāi)關(guān)系統時(shí)，要從這一基本方面入手：即繼電器類(lèi)型。能夠應用于多種應用類(lèi)型的繼電器對于測試系統的精度和長(cháng)期的使用壽命都是非常重要的。如果某人都發(fā)明工作在26GHz的直流電流、并且能夠重復性地處理10A到50mA的電流的話(huà)，那么這個(gè)人應當非常富有。但是在現實(shí)中，有許多選擇是由應用所決定的。
如圖2所示的簧片繼電器提供了更長(cháng)的開(kāi)關(guān)壽命，并且在嚴酷的環(huán)境條件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性氣體的環(huán)境中?；善哂欣p繞的卷盤(pán)，以確保磁性開(kāi)關(guān)的精度。 測試計劃
在簡(jiǎn)單介紹繼電器的類(lèi)型之后，是需要進(jìn)入到實(shí)際測試計劃的時(shí)間了。這里有一些問(wèn)題需要回答：
你需要測試的規格是什么？當對某個(gè)信號源進(jìn)行開(kāi)關(guān)或測量的時(shí)候，需要處理的最大電壓是多大？需要關(guān)注的最大電流是多少？頻率如何？
對上述問(wèn)題具有答案之后，我們可以考慮是否需要熱開(kāi)關(guān)或者冷開(kāi)關(guān)（并且分別涉及到開(kāi)關(guān)或者負載電流）?；旧?，這就意味著(zhù)繼電器是通過(guò)施加的功率進(jìn)行開(kāi)關(guān)（熱開(kāi)關(guān)），亦或是先保持斷開(kāi)、然后再施加功率（冷開(kāi)關(guān)）。大部分的繼電器對于熱開(kāi)關(guān)和冷開(kāi)關(guān)是有差別的。
下一步行動(dòng)
一旦繼電器的類(lèi)型得到確定之后，開(kāi)關(guān)的配置就必須確定。一般會(huì )選擇單刀單擲開(kāi)關(guān)繼電器、多路繼電器或者交叉點(diǎn)繼電器矩陣。然后，需要控制的測試點(diǎn)數目必須進(jìn)行考慮。
在較高的頻率下，你會(huì )加入一些額外的需求，諸如能夠承受的最大反射功率，最壞情況下的插入損耗是多少，諸如此類(lèi)。最后，需要考慮測試系統所處的應用環(huán)境。是否會(huì )有爆炸性氣體？例如，你是否在為應用于機場(chǎng)跑道或者軍事基地建立測試儀器？
也許電纜是同樣重要的元件，因為你所使用的繼電器可以具有非常低的插入損耗和重復性，以及你所需要的使用壽命，但是電纜的體積非常的小，這就是一種錯誤，或者是質(zhì)量低下的連接器。那么頓時(shí)你就失去了開(kāi)關(guān)模塊所具有的優(yōu)勢。在這種情況下，電纜就成為你的測試系統中最薄弱的一環(huán)，影響整個(gè)測量精度。
如何避免失效
即便你決定了繼電器的類(lèi)型、所需配置的模塊，為了避免發(fā)生問(wèn)題，你仍然需要關(guān)注可能產(chǎn)生的失效。
首先要考慮的問(wèn)題是熱開(kāi)關(guān)。熱開(kāi)關(guān)會(huì )降低所有機械繼電器的特性，甚至簧片繼電器和電磁繼電器。繼電器的數據表會(huì )給你關(guān)于你所期望的使用壽命的一些數據——關(guān)于低級、中級以及全功率，并且你會(huì )看到各種繼電器在每個(gè)階段使用壽命的差別。此外，如果系統的運行條件非常接近繼電器的極限，你有可能會(huì )損壞繼電器，甚至有可能會(huì )使其著(zhù)火！
接下來(lái)要關(guān)心的問(wèn)題是，如果電路本身是大電容負載的情況。有一些你可能會(huì )需要釋放功率的應用，例如當你改變開(kāi)關(guān)極性的時(shí)候。這會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電流，并且它們確實(shí)會(huì )影響你所使用開(kāi)關(guān)的壽命。明顯地，你不能總是避免這種情況，所以你可能會(huì )在這個(gè)項目中將更高能力的繼電器包括進(jìn)去。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)生的其他情況主要是代碼錯誤，這可能會(huì )使得繼電器關(guān)閉較長(cháng)的時(shí)間，或者你偶然性地將原本需要進(jìn)行冷開(kāi)關(guān)的電路設定為熱開(kāi)關(guān)。人難免會(huì )犯錯，所以全面地驗證和檢驗你的代碼是非常重要的。
繼電器規格可能會(huì )被忽視的另一個(gè)地方是額定功率。繼電器的額定功率并不總是能達到你所想像的那樣足夠的高。許多測試和測量開(kāi)關(guān)系統都假設了較低的占空比，因此并沒(méi)有考慮連續性的功率。
你可能會(huì )想，使用最小的電壓并不是問(wèn)題。再想想，尤其是高電壓應用，大部分的高電壓繼電器必須具有可靠的最小電壓開(kāi)關(guān)特性。如果你試圖對較低的電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)，你會(huì )得到較高的電阻，因為繼電器的接觸并沒(méi)有充分“潤滑”。潤滑在電磁繼電器中是非常重要的，因為繼電器的接觸是暴露在環(huán)境中的，并且會(huì )氧化。（請見(jiàn)下文“潤滑”）
另一項需要特別注意的規格是繼電器的期望壽命。如果你的應用會(huì )進(jìn)行數月甚至數年的測試，那么你需要采用具有最大額定壽命的繼電器。否則，在你的測試周期中加入關(guān)閉時(shí)間和維護周期，以使得在開(kāi)關(guān)模塊達到它們的額定壽命的時(shí)候進(jìn)行置換（如圖4所示）。
關(guān)于“潤滑”
對于我們中那些已經(jīng)測試了很長(cháng)時(shí)間的方式而言，“潤滑”這種方式最初是指繼電器的接觸是浸沒(méi)在水銀中的應用，或者說(shuō)是通過(guò)水銀進(jìn)行“潤滑”。這種繼電器通過(guò)使用水銀減小接觸電阻和壓降的方法應用在許多領(lǐng)域。對于低電流信號而言，水銀能夠阻止表面沾污，表面沾污會(huì )使得繼電器的接觸變差；對于高速應用而言，水銀能夠消除繼電器的接觸反彈。
當然，因為水銀的劇毒特性，我們很少再見(jiàn)到使用水銀進(jìn)行潤滑的繼電器。所以我們會(huì )使用其他技術(shù)。
當今，潤滑涉及到流經(jīng)繼電器接觸的最小電流。維基百科對潤滑電流提供了良好的定義：“機械開(kāi)關(guān)運行過(guò)程中需要突破淀積在接觸上的氧化膜，潤滑電流是需流經(jīng)機械開(kāi)關(guān)的最小電流。氧化膜通常發(fā)生在具有較高濕度或化學(xué)氣體的環(huán)境中。一定量的潤滑電流在系統設計中是非常必要的，使用具有較小的接觸壓力的精細開(kāi)關(guān)可以作為傳感器輸入。如果不能達到這種效果，可能會(huì )導致開(kāi)關(guān)保持電氣“斷開(kāi)”狀態(tài)，或者由于接觸氧化的原因會(huì )引入比所允許的更高的電阻”。
這就意味著(zhù)如果你建立的測試展示了較低阻值的隨機性電阻或者一直保持斷開(kāi)，請仔細查看你所使用的繼電器的規格。很有可能你的電路并沒(méi)有足夠大的電流來(lái)穿通接觸面的氧化層。這就意味著(zhù)你需要在測試中改變繼電器的類(lèi)型，更好的控制自動(dòng)測試設備所處的環(huán)境，或者對繼電器加入“潤滑”，以使得其更加適用于測試。 是什么損壞了？
假設我們有一個(gè)具有損壞繼電器的多點(diǎn)矩陣，它總是保持斷開(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)。你會(huì )見(jiàn)到許多多點(diǎn)的失效，因為矩陣工作原理的原因（如圖5所示）。問(wèn)題在于，要在8000個(gè)繼電器中找到失效的那個(gè)。
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