如何正確地為測試系統選擇開(kāi)關(guān)

　　我們經(jīng)常會(huì )責備一些創(chuàng )建系統失敗的用戶(hù)，主要是由于這些用戶(hù)將一個(gè)7位半的數字萬(wàn)用表(DMM)和一個(gè)僅僅支持4位半精度的開(kāi)關(guān)系統組合到一起使用。在很多這樣的例子中，用戶(hù)從來(lái)不將開(kāi)關(guān)系統作為一項可能產(chǎn)生誤差的原因考慮。在其他一些例子中，用戶(hù)意識到了可能會(huì )出現的誤差，但是他們并不能有效的約束或者控制這個(gè)誤差。一旦你意識到了需要根據電氣需求選擇合適的開(kāi)關(guān)模塊的時(shí)候，你就會(huì )發(fā)現一種型號不可能適合所有的應用。你需要在所要實(shí)現的需求的基礎上設計合適的開(kāi)關(guān)系統。這也意味著(zhù)在系統中可能會(huì )用到不止一種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)。

　　一個(gè)值得引以為戒的例子

　　當我們在和一家大型醫療設備公司合作的時(shí)候遭遇了一次慘痛的經(jīng)歷。這家公司與另外一家系統集成商簽約，讓對方為自己集成一個(gè)測試系統，以便對起搏器中使用的電纜的可靠性進(jìn)行測試。這個(gè)測試系統的要求很簡(jiǎn)單：只需要測量當幾個(gè)電線(xiàn)相互彎曲和扭曲的時(shí)候的電阻值。這個(gè)系統需要探測的電阻值的變化量是20mΩ。

　　系統集成商選擇一塊PXI的開(kāi)關(guān)卡和一個(gè)6位半的PXI

　　DMM，這樣的選擇更多的出于對商業(yè)關(guān)系的考慮，而不是對技術(shù)要求的考慮。從而導致的結果是系統測量顯示的結果在200mΩ的范圍內變化，因此這個(gè)系統是不能使用的。

　　集成商并沒(méi)有解決這種問(wèn)題的經(jīng)驗，并且供應商沒(méi)有提供任何技術(shù)支持。由于終端用戶(hù)采用的是一個(gè)無(wú)用且昂貴的系統，項目被延期交付，集成商也沒(méi)有對產(chǎn)生問(wèn)題的給出合理解釋和解決方案，項目宣告失敗。

　　最終，這個(gè)終端用戶(hù)打到我們SignametrICs公司的尋求技術(shù)支持。我們的解釋就是問(wèn)題的產(chǎn)生主要原因是在測試系統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(kāi)關(guān)卡和一個(gè)SMX2064

　　7位半的DMM給這個(gè)客戶(hù)，并且保證如果不能使用的話(huà)我們會(huì )全額退款。采用了我們建議的設備后，整個(gè)系統的運行情況很好，現在那位客戶(hù)也很滿(mǎn)意。

　　為什么會(huì )發(fā)生這種情況呢?當你認識到在這個(gè)情況下存在的許多不定因素的時(shí)候，你就會(huì )覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題很容易回答了。這個(gè)終端用戶(hù)是機械工程師，他很信任集成商的判斷。集成商在軟件和系統整合方面也很熟悉，但是卻沒(méi)有測量相關(guān)的技術(shù)背景。最初的那位銷(xiāo)售人員也沒(méi)有足夠的儀器技術(shù)知識，所以不能很好的理解客戶(hù)提出的需求。而提供設備的供應商也沒(méi)有對他的產(chǎn)品進(jìn)行有效的技術(shù)支持。這一系列問(wèn)題最終導致產(chǎn)生了前面的結果。

　　可疑的假設

　　當你選擇開(kāi)關(guān)系統的時(shí)候，很有可能產(chǎn)生一些對后續應用不利的假設條件。下面就是一些比較普遍的誤區：

　　當要在不同測試設備中進(jìn)行信號傳送時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)一種理想、簡(jiǎn)便的儀器。其實(shí)并不是這樣的。這種想法會(huì )導致令人困惑的結果。

　　矩陣開(kāi)關(guān)可以允許將任何輸入和任何輸出進(jìn)行連接。如果后續的需求需要改變的話(huà)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟件的改變就可以實(shí)現。這個(gè)也并不完全正確。如果這樣做的話(huà)，你會(huì )為此付出沉重的代價(jià)。

　　如果你認為只要規定開(kāi)關(guān)系統能夠處理的最大電壓和最大電流，就可以滿(mǎn)足所有的低于最大電壓和最大電流的輸入需求的話(huà)，那么你錯了。

　　如果需要測量很低的電壓或電阻的話(huà)，只需要通用的開(kāi)關(guān)或者矩陣開(kāi)關(guān)就可以很好的實(shí)現。這種想法肯定也是不正確的。開(kāi)關(guān)可以實(shí)現說(shuō)明書(shū)上所提到的所有功能。如果說(shuō)明書(shū)上沒(méi)有標明的功能，比如溫度偏置電壓，在這種情況下你也不知道得到的結果是什么。

　　如果需要進(jìn)行精密電阻測量的話(huà)，一個(gè)四線(xiàn)的線(xiàn)路可以通過(guò)開(kāi)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(kāi)關(guān)VS.多路復用器

　　首先一點(diǎn)是，無(wú)論是矩陣還是多路復用器都是一種開(kāi)關(guān)拓撲結構。矩陣開(kāi)關(guān)是很通用的。它能夠將任何輸入和任何輸出進(jìn)行連接。當后續的應用中需求發(fā)生了變化，那么只需要進(jìn)行軟件的改變就可以實(shí)現。并且簡(jiǎn)單的外圍電路圖顯得很簡(jiǎn)潔。

　　不幸的是，當你希望在每個(gè)交叉點(diǎn)上使用一個(gè)繼電器來(lái)實(shí)現大規模的開(kāi)關(guān)矩陣的話(huà)，就會(huì )需要很多個(gè)繼電器。這樣的話(huà)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(lái)實(shí)現矩陣是采用開(kāi)關(guān)樹(shù)的結構。但是這種樹(shù)形結構需要每條連接線(xiàn)路都經(jīng)過(guò)個(gè)別的繼電器觸點(diǎn)，這樣的話(huà)就會(huì )明顯的降低系統的精確性。這種精度的降低會(huì )以增加繼電器的泄漏電流和熱補償電壓這兩種形式表現出來(lái)。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(lái)的風(fēng)險，這是因為這里沒(méi)有對多路復用器進(jìn)行保護，而多路復用器中的所有繼電器在自動(dòng)打開(kāi)前都會(huì )關(guān)閉選定的通道。

　　多路復用器的使用更加簡(jiǎn)單。它采用先開(kāi)后合的順序將n路輸入中的一路轉換到子總線(xiàn)上。然后用一組開(kāi)關(guān)將子總線(xiàn)信號切換到測試卡上。如果包含了很多個(gè)輸入，那么利用更多的子總線(xiàn)添加更多的掃描卡來(lái)實(shí)現。由于繼電器的數量是合理的，因此，總的大小和成本也是可以接受的。

　　某些多路復用器允許將n選一的輸入轉換為4選1的輸出(如圖1)。更多的多路復用器還會(huì )提供一些軟件工具來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)卡的控制。當輸入狀態(tài)為高阻抗的時(shí)候，多路復用器可能會(huì )產(chǎn)生一些遺漏問(wèn)題，但是對于微弱信號基本上不會(huì )產(chǎn)生任何問(wèn)題。

　　通用，高密度的開(kāi)關(guān)

　　很多工程師喜歡選擇高密度的開(kāi)關(guān)，因為它適用于很多的應用。

　　有些問(wèn)題并不是通過(guò)通過(guò)閱讀說(shuō)明書(shū)就能明顯看出來(lái)的，但是這些問(wèn)題會(huì )導致許多測量功能明顯降低。由于高密度開(kāi)關(guān)具有很高的溫度偏置電壓，因此在電阻溫度檢測(RTD)和熱電偶測量中就會(huì )出現明顯的功能退化。與廣泛的被接受想法相反，使用四線(xiàn)電阻測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(xiàn)和繼電器，高密度開(kāi)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(kāi)關(guān)卡

　　總之，高密度開(kāi)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的精密檢測應用中。

　　儀器開(kāi)關(guān)是指通過(guò)低的電壓偏差，低的接觸電阻，低噪聲和低交叉耦合來(lái)進(jìn)行切換。如果要測量低于10Ω的電阻，比如在連續性測試中，要求小于1mΩ的電阻值和小于1μV的溫度偏置電壓。這看起來(lái)要求有些高，但是只要比這個(gè)值高的話(huà)，就會(huì )明顯的降低系統的精度。

　　高密度通用開(kāi)關(guān)的說(shuō)明書(shū)通常情況下是不以?xún)x器技術(shù)形式寫(xiě)出的。也就是說(shuō)，制造商們并不認為這種開(kāi)關(guān)適合應用在儀器技術(shù)中。

　　為什么說(shuō)低熱電動(dòng)勢和低接觸電阻時(shí)至關(guān)重要的呢?如果你看一下7位半的DMM的說(shuō)明書(shū)的話(huà)，你就會(huì )注意到它的測量精度可以達到幾微伏。甚至一個(gè)比較好的5位半的DMM的精度也會(huì )達到50μV。如果將信號通過(guò)一個(gè)會(huì )引入100μV的誤差的開(kāi)關(guān)中，那么你的系統的精度只能是4位半所能達到的精度。

　　表1 不同開(kāi)關(guān)配置的誤差值

　　表1中說(shuō)明了當你應用不同質(zhì)量的開(kāi)關(guān)對不同信號進(jìn)行測量時(shí)，會(huì )引入多大的誤差。從中我們可以看出，儀器技術(shù)開(kāi)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(kāi)關(guān)引入的誤差相當于5位的DMM甚至更糟。

　　進(jìn)行電阻測量時(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(guò)高的電壓打開(kāi)連接在DUT上的半導體。也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)系統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量的百分比數，如圖2中所示。圖中描述了電阻測量中不同開(kāi)關(guān)卡的誤差分布。它是由標準的萬(wàn)用表對電流和低于2V的電壓進(jìn)行測量得到的。圖中的鋸齒是由在比較高的電阻范圍內降低測量電流而產(chǎn)生的。

　　圖2 采用不同開(kāi)關(guān)配置對電阻進(jìn)行測量的誤差分布