测试系统开关技术

设计完善的开关系统至少应具备3个子系统：计算机控制与处理、测量仪表和开关。只要再增加DUTC(被测设备)电源和DUT负载就构成完整的功能测试设备。无可争辩的是,开关子系统是测试系统的心脏,因为所有其它子系统是测试系统的心脏,因为所有其它子系统都要与它接口。因此,对它有一个全面的、正确的了解是十分必要的。

开关子系统的技术要求是十分广泛的。就测试信号而言,工作频率覆盖了DC直至超过25GHz,幅度从毫伏级至数千伏,电流从几个毫安至数安培。导线和继电器带来的电容会产生定时和串扰问题,而电感会形成电流环和电压火花。再者,连接仪表和DUT的接点数量范围在几个至数千个之间。当信号的变化幅度超过二个数量级时,开关速度取决于使用的继电器种类,从而极大地影响系统的总吞吐率。鉴于开关系统如此广泛的性能要求,出现众多的、可供选择的继电器种类也就不足为奇了。

　　继电器种类

所有COTS(商品化)开关解决方案都采用插卡式机箱,涵盖了VXI、PXI以及供应商开发的低价专用机箱。在上述所有场合,有多种开关结构,可选用5 种继电器：衔铁式继电器、簧片式继电器、MOS继电器、RF继电器和微波继电器。

 

　　图1 典型的2线继电器多路开关

衔铁式继电器和簧片式继电器都属机电型电磁继电器,所不同的是,前者的电磁线圈使衔铁片运动,继而使接触片闭合;而后者的干簧片本身是磁体,磁性线圈直接让簧片吸合。衔铁式继电器有锁定的非锁定的两种形式。自锁式继电器的热残留偏移电压极小,这对测量低压是至关重要的。这种继电器也是高电压(>100V)或大电流(>500mA)的最佳选择。簧片式继电器的开关速度比衔铁式继电器快,电压和电流的承受能力比MOS继电器高,但它固有的热残留偏移电压较大,且随温度变化,限制了它的应用。虽然可以采取一些措施使这个效应降至最小,但这样做又会增加继电器的成本。

MOS继电器由几个FET组成。外加电压至控制电路,使FET的漏极和源极导通。如果想要较快的开关速度,且不计较有较高的通导电阻,MOS继电器是不错的选择。这类开关的寿命几乎是无限的,但与机械式继电器相比,易发生静态损坏,也不能承受高电压和大电流。

RF和微波继电器的结构与MOS继电器类似。这种继电器最适合低插入损耗的应用,主要考虑因素是VSWR(电压驻波比)和规定的特征阻抗,典型是50Ω或75Ω。

上述5种继电器都能胜任GP(通用)继电器。最常用的是单刀单掷常开型(SPST-NO,A型)和单刀双掷(SPDT,C型)。B型是SPST继电器的常闭型,由于这种继电器在不通电时会产生有害的电压,因此并不常使用。衔铁式继电器能承受高电压和大电流,因而是低频应用的首选。GP继电器通常用于将电源和负载(电阻、电磁阀、指示灯等)连接至DUT。它们也能用作接地开关或DUT输入的电源开关。

 

　　表1 各类继电器的特性

　　开关结构

多路开关和矩阵开关是最见的两种开关结构,各有利弊。多路开关设计成nxm形式。例如,1×4开关具有1个公共端,4个开关位置。微波继电器是带公共接地的单通道同轴多路开关。图1是典型的继电器多路开关示意图,图中每个通道用了2个继电器。

测量路径中的感性耦合会在阻抗导线上形成接地环路,为了切断这些环路,继电器应能像开关低阻抗导线那样开关高阻抗导线。这一点对频率低于1MHz下测量电容和电感尤为重要。此外,对2线多路开关,可以施加并测量浮动信号。当然,在进行浮动型测量时,DMM必须具有良好的共模抑制能力。

图2是典型的矩阵开关示例,其中每一行都与每一列相连接。采用矩阵开关形式,源和测量仪表可以连接至DUT的每个接脚。使用2线矩阵开关的理由和使用2线多路开关相同,即为了切断接地环路,减少热偏移电压以及从事浮动测量。

衔铁式和簧片式矩阵常常用单线圈继电器构成,可同时控制上边开关和下边开关,这样能相互抵消继电器中开关对上热偏移电压,将热差动电压降低到最小程度。矩阵中的上边开关和下边开关有时也使用分立的继电器,以便让继电器组单端工作。使用分立继电器只能提供偏移电压的一个校正。

矩阵结构的灵活性还在于价格因素的考虑。对同一项测试任务,矩阵开关多使用的继电器要比多路开关使用的多,从而增加了初期成本。例如,若用户想要将一个信号在不同时刻施加至DUT的70个不同接脚。采购COTS开关插卡,可以选用单块70通道2线多路开关,其费用约为1500美元;也可选用5块2线4×16矩阵卡,然后将每块插卡上4行连接在一起,总费用需5000美元。额外增加的3500美元意味着可以将4个信号(不是一个)馈送到80个(不是70个)接脚,必要时同一个信号能在同一时刻加至多个接脚上。反之