智能型PXI Switch Module在自動(dòng)化測控系統中的應用

前言

使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號切換，廣泛地應用于IC測試、電力監測管理、工業(yè)流程與交通控制領(lǐng)域。

近年來(lái)隨著(zhù)消費電子產(chǎn)品走向多樣化，生命周期縮短，價(jià)格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動(dòng)測試設備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題。在工業(yè)控制及相關(guān)應用領(lǐng)域，價(jià)昂、封閉規格的專(zhuān)用控制系統則面臨PC-Based測控解決方案開(kāi)放、價(jià)廉與高效能的挑戰。

本文對繼電器信號切換所做的技術(shù)簡(jiǎn)介與實(shí)例應用介紹，將使讀者了解架構于PXI系統上的智能型PXI Switch Module，對高效能測控所帶來(lái)的好處。

基本拓樸（Basic Topology）

構成Switch Module的開(kāi)關(guān)具有多種形式，可粗分為電磁式與半導體式，前者包含電磁式機械繼電器(Electro-mechanical Relay)、磁簧繼電器(Reed Relay)，后者包含場(chǎng)效應晶體管開(kāi)關(guān)(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等。以下內容主要以電磁式繼電器為主。

常見(jiàn)的Switch Module的結構示意圖有下列三種：

General Purpose

如圖 1，這種結構采用多個(gè)相互隔離的單刀單擲型繼電器(SPST Relay)或單刀雙擲型繼電器(SPDT Relay)。一般做為開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)機、風(fēng)扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

Multiplexer/Scanner

如圖 2，為n進(jìn)1出的多任務(wù)器/解多任務(wù)器型，適用于多組信號源必需使用同一個(gè)信號端口的情形，反之亦可。

Matrix

如圖 3，為m進(jìn)n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進(jìn)行多重信號的交換耦合，也可使用軟件規劃為其它兩種結構，適合架構復雜且高度靈活的測試設備。

對于高精度量測常使用2-wire及4-wrie接線(xiàn)模式，Relay Switch模塊會(huì )對差分信道進(jìn)行特性匹配以獲得準確結果。

電磁式繼電器的切換瞬時(shí)特性

使用電磁式繼電器作為信號切換時(shí)，應先對其延遲特性有初步了解，方能獲得快速且準確的量測結果。使用者常以繼電器開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)導通電阻來(lái)估算理想的量測時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)重要的時(shí)間參數為（參考圖 4）：

1)Operate Time：驅動(dòng)電路推動(dòng)繼電器直至開(kāi)關(guān)第一次閉合的時(shí)間，為A-B區段。

2)Bounce Time：繼電器第一次閉合直至開(kāi)關(guān)彈跳(Bounce)結束的時(shí)間，為B-C區段。

實(shí)際上使用者可能會(huì )希望有充足的時(shí)間讓系統達到最終穩定狀態(tài)，則必需在C點(diǎn)后加入自定的穩定延遲時(shí)間(Settling Time)，從而最終采樣時(shí)間點(diǎn)將落在D點(diǎn)。因此，自驅動(dòng)電路推動(dòng)繼電器后，共需經(jīng)過(guò)Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進(jìn)行有效量測。前兩項參數會(huì )因使用的繼電器種類(lèi)、切換容量(switching capacity)改變，第三項參數則隨測試儀器與被測物的搭配而存在一定的差異。

為了提升測試系統的整體效能，使用者必需盡量縮短信號切換的時(shí)間，同時(shí)又要顧及信號完整性(signal integrity)。此外，主系統可能還需要提供大量運算資源進(jìn)行數據處理分析、報表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機接口。