降低测试系统开关中的噪声

引言
设计用于测试电子或机电装置的开关系统，就像 设计那些装置本身一样，会存在许多问题。现代测试系 统有许多用于激励或测量 DUT 的信号线和电源线，以 及用于自动连接的各种开关。因此在一个多点开关系 统中，激励、电源和其它信号的交互作用可能会产生对 测量的噪声和干扰。
噪声问题只有三个组成部分。噪声问题必然存在 一个噪声源，它耦合至对噪声敏感的接收器。为解决噪 声问题，首先要确定噪声源，然后要确定噪声接收点， 最后是确定噪声的耦合方法。这并非神秘莫测的过程， 而是有需可靠遵循的物理规则。有时源和耦合方法可 能非常微妙，但绝不会违反基本规则。
通常，工程师会在设计一个系统至另一系统的信 号路径上花大量精力，但往往忽视返回路径。正确设计 的系统应有经定义的信号路径和返回路径，需要用这 两者建立工作系统。如果在设计中忽略返回路径，跟踪 噪声问题的任务将是极为困难的。返回路径的不良设 计可能改变系统其它部分。改变的返回路径可能表现 为间歇性的问题，出现难以理解的有害噪声。

图 1 示出通用的测试系统体系结构。开关是整个 系统的中心，它把许多测试点接到测量仪器，提供信号 路由和为 DUT 加电。但它也是许多，有时是无法说明 的测量误差来源，相近的许多互连提供了噪声耦合的 大量机会。
需要测试装置中出现的较高速逻辑，它与更灵敏 的模拟电路一起，要求对开关系统作精心的设计和实 现，以降低噪声和保持信号完整性。
这是为需要构建测试系统的工程师编写的应用指 南。着重讲解在把商业化的开关产品和仪器集成至测 试系统时，如何降低噪声耦合问题。
设计测试系统时，需要了解测试信号的频率和幅 度，以及测试仪器、开关系统和 DUT 的输入和输出特 性。本应用指南所介绍的降低噪声技术适用于信号频 率低于 300MHz，电压低于 250V，电流低于 5A，以及 伏特赫兹乘积小于 107 的情况。如果没有其它参照，不 推荐把这些解决方案外推到更高幅度或更高频率。

测试系统中的噪声源
对测试工程师来说，了解系统中有害噪声的来源 是极为重要的。一张设计规则表能帮助降低有害噪声， 但对于了解噪声来自何处则是很不够的。在专用于测 试电子模块的电子测试系统中，造成噪声的最重要原 因是传导性耦合、公共阻抗耦合，以及电场和磁场。除 了这些噪声源外，一些系统还对来自电流效应、热偶噪 声、电解效应、静电效应和导体运动的噪声感应。
噪声最容易耦合进电路的一种途径是进入电路的 导体，它会产生传导性耦合噪声。通过喧闹噪声环境的 导体有拾取噪声和传送至其它电路的极好机会。接至 电路的电源线通常会造成电容性耦合噪声。
当电流从两个不同电路通过公共阻抗时，就会产 生公共阻抗耦合。一个电路的地电压受另一电路的影 响。对每一电路来说，其地电位受公共地阻抗中其它电 路地电流调制，从而导致噪声耦合。
只要有电荷运动或存在电位差，就会产生幅射磁 场和电场，电路中的高频干扰可能被检波，而作为直流 误差出现。开关系统电路对电台、电视和其它无线广播 的电磁辐射也很敏感。因此，有必要把敏感电路与这些 电磁场屏蔽。
在测试系统环境中，仔细处理接地和屏蔽能实现 最精确的低电平信号测量。这些噪声降低技术同样适 用于单点和多点系统。

开关系统中的噪声
开关系统中的噪声源包括内部开关驱动电路、开 关上的热不平衡、系统其它导体的噪声耦合，以及系统 外部产生的噪声。可通过机械设计把继电器所有触点 置于相同的温度梯度，或使用锁存继电器，以把热不平 衡减到最小。在使用锁存继电器时，改变继电器状态的 激励时间只有 15-20ms。这就消除了线圈能量这一主 要热源。
来自相邻通道的噪声被耦合至测量通道，构成对 信号完整性的严重威胁。正确的屏蔽和接地技术可消 除硬线系统的大量此类问题，但当信号必须有选择地 切换至示波器、计数器或某些其它测量仪器时，问题就 变得十分尖锐。

在许多情况下，噪声主要来自系统中的相邻通道（串扰）。在图 2 的简化等效电路中，可看到开关系统中 的大部份电容都跨开关触点，和在相邻的传导路径间。 由于噪声耦合是面积和接近程度的函数，减少耦合的 简单方法就是隔离开关和相互间的导体。但增加开关 密度也是想要实现的目标;从而能在更小的箱体中实现 更大的容量。况且今天的被测系统也越来越复杂，比过 去有更多的测试点。因此，测试工程师将处于同时增加 元件密度和通道距离的两难境地。

降低噪声
屏蔽和接地是降低有害噪声的两项主要方法。它 们经常一起使用，例如把电缆屏蔽接地。此时了解电缆 屏蔽应在何处接地，以得到最高的屏蔽效率是非常重 要的。在某些情况下，对一种噪声问题的解决方案可能 会降低其它噪声问题解决方案的效率，必须很好了解 噪声源，耦合方法和噪声接收器，以在它们之间作出适 当的权衡。

屏蔽
测试系统的噪声屏蔽包括对电容性（电）和电感性（磁）耦合的屏蔽。

对电容性耦合的屏蔽
测试系统通道间的电容性噪声耦合由电路间的电 场交互造成，这易于理解，也易于进行屏蔽。图 3 示 出一条导线至另一条导线的噪声耦合是由导线间的电 容（C12）造成。对于负载电阻 R（在大多数实际情况 中，R<<1/[j ω (C12 + C2G)]），噪声电压近似为： VN ≌ j ω RC12V1。