如何正确地为测试系统选择开关？

编辑笔记：

        为了对被测件上多个点进行测试，一般情况下测试系统总是会包括多样化的激励手段和测量工具。这就意味着测试系统中要用到开关子系统。如果你认为开关的选择是是件简单，并且能够快速决定的事情，那么这篇文章可能会改变你的想法。
        Paul Lantz，自1972年开始从事测试测量工作，它是Signametrics公司的工程副总裁。加入这家公司之前，Lantz先生在Fluke公司工作过几年，在此期间他从事了多个工程职位，包括项目经理和首席工程师。除了拥有三个测试测量相关的专利外， 他还获得了Seattle大学的电气工程B.S.和纽约大学的M.S.E.E.。他还发表了很多技术文献。作者的E-mail地址：@signametrics.com">paul@signametrics.com。

        Tee Sheffer是Signametrics公司的总裁兼创始人。他从华盛顿大学获得了电气工程的学士学位和硕士学位。从1977年到1990年创建Signametrics公司，Sheffer先生一直是Fluke公司很有资质的工程师和项目经理。他拥有10向测试测量领域的专利，并且发表了很多技术文献。作者的E-mail地址：tee@signametrics.com。

        本文原文版权由尼克森出版集团旗下《EE》杂志保留，由EEFOCUS技术编辑王婷、张国强翻译整理，未经许可不得转载。
        每种开关系统都会涉及到不同的情况的取舍。有时商业上的需求会不顾技术规范的限制，从而得到一些不很理想的结果。有时甚至会发生某些技术要求之间相互冲突的情况，因此，在实际应用中要非常注意处理这些技术规范之间的关系。
        我们经常会责备一些创建系统失败的用户，主要是由于这些用户将一个7位半的数字万用表（DMM）和一个仅仅支持4位半精度的开关系统组合到一起使用。在很多这样的例子中，用户从来不将开关系统作为一项可能产生误差的原因考虑。在其他一些例子中，用户意识到了可能会出现的误差，但是他们并不能有效的约束或者控制这个误差。
        一旦你意识到了需要根据电气需求选择合适的开关模块的时候，你就会发现一种型号不可能适合所有的应用。你需要在所要实现的需求的基础上设计合适的开关系统。这也意味着在系统中可能会用到不止一种类型的开关。
一个值得引以为戒的例子
        当我们在和一家大型医疗设备公司合作的时候遭遇了一次惨痛的经历。这家公司与另外一家系统集成商签约，让对方为自己集成一个测试系统，以便对起搏器中使用的电缆的可靠性进行测试。这个测试系统的要求很简单：只需要测量当几个电线相互弯曲和扭曲的时候的电阻值。这个系统需要探测的电阻值的变化量是20mΩ。
        系统集成商选择一块PXI的开关卡和一个6位半的PXI DMM，这样的选择更多的出于对商业关系的考虑，而不是对技术要求的考虑。从而导致的结果是系统测量显示的结果在200mΩ的范围内变化，因此这个系统是不能使用的。
        集成商并没有解决这种问题的经验，并且供应商没有提供任何技术支持。由于终端用户采用的是一个无用且昂贵的系统，项目被延期交付，集成商也没有对产生问题的给出合理解释和解决方案，项目宣告失败。
        最终，这个终端用户打到我们Signametrics公司的寻求技术支持。我们的解释就是问题的产生主要原因是在测试系统中选择了不合适的硬件模块所造成的。我们向他推荐了一个Signametrics公司的SMX4032仪器开关卡和一个SMX2064 7位半的DMM给这个客户，并且保证如果不能使用的话我们会全额退款。采用了我们建议的设备后，整个系统的运行情况很好，现在那位客户也很满意。
        为什么会发生这种情况呢？当你认识到在这个情况下存在的许多不定因素的时候，你就会觉得这个问题很容易回答了。这个终端用户是机械工程师，他很信任集成商的判断。集成商在软件和系统整合方面也很熟悉，但是却没有测量相关的技术背景。最初的那位销售人员也没有足够的仪器技术知识，所以不能很好的理解客户提出的需求。而提供设备的供应商也没有对他的产品进行有效的技术支持。这一系列问题最终导致产生了前面的结果。

可疑的假设
        当你选择开关系统的时候，很有可能产生一些对后续应用不利的假设条件。下面就是一些比较普遍的误区：

• 当要在不同测试设备中进行信号传送时，开关时一种理想、简便的仪器。其实并不是这样的。这种想法会导致令人困惑的结果。
  
• 矩阵开关可以允许将任何输入和任何输出进行连接。如果后续的需求需要改变的话，只需要进行简单的软件的改变就可以实现。这个也并不完全正确。如果这样做的话，你会为此付出沉重的代价。
  
• 如果你认为只要规定开关系统能够处理的最大电压和最大电流，就可以满足所有的低于最大电压和最大电流的输入需求的话，那么你错了。
  
• 如果需要测量很低的电压或电阻的话，只需要通用的开关或者矩阵开关就可以很好的实现。这种想法肯定也是不正确的。开关可以实现说明书上所提到的所有功能。如果说明书上没有标明的功能，比如温度偏置电压，在这种情况下你也不知道得到的结果是什么。
  
• 如果需要进行精密电阻测量的话，一个四线的线路可以通过开关通道消除所有的误差。这种想法也是不正确的。这种做法可以减小一些误差，但不是全部的。

矩阵开关VS.多路复用器
        首先一点是，无论是矩阵还是多路复用器都是一种开关拓扑结构。矩阵开关是很通用的。它能够将任何输入和任何输出进行连接。当后续的应用中需求发生了变化，那么只需要进行软件的改变就可以实现。并且简单的外围电路图显得很简洁。
        不幸的是，当你希望在每个交叉点上使用一个继电器来实现大规模的开关矩阵的话，就会需要很多个继电器。这样的话物理尺寸和成本就会急剧的上升，甚至于超出控制范围。
        一个比较划算的方法来实现矩阵是采用开关树的结构。但是这种树形结构需要每条连接线路都经过个别的继电器触点，这样的话就会明显的降低系统的精确性。这种精度的降低会以增加继电器的泄漏电流和热补偿电压这两种形式表现出来。同时，还要考虑将继电器触点和矩阵进行焊接所带来的风险，这是因为这里没有对多路复用器进行保护，而多路复用器中的所有继电器在自动打开前都会关闭选定的通道。
        多路复用器的使用更加简单。它采用先开后合的顺序将n路输入中的一路转换到子总线上。然后用一组开关将子总线信号切换到测试卡上。如果包含了很多个输入，那么利用更多的子总线添加更多的扫描卡来实现。由于继电器的数量是合理的，因此，总的大小和成本也是可以接受的。

某些多路复用器允许将n选一的输入转换为4选1的输出（如图1）。更多的多路复用器还会提供一些软件工具来简化开关卡的控制。当输入状态为高阻抗的时候，多路复用器可能会产生一些遗漏问题，但是对于微弱信号基本上不会产生任何问题。
通用，高密度的开关
        很多工程师喜欢选择高密度的开关，因为它适用于很多的应用。
        有些问题并不是通过通过阅读说明书就能明显看出来的，但是这些问题会导致许多测量功能明显降低。由于高密度开关具有很高的温度偏置电压，因此在电阻温度检测（RTD）和热电偶测量中就会出现明显的功能退化。与广泛的被接受想法相反，使用四线电阻测量方法并不能完全消除温度偏置电压。第二个因素就是由于接近PCB的布线和继电器，高密度开关会产生更多的噪声。

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图1 Signametrics公司的SMX4032的仪器技术开关卡

总之，高密度开关可以将许多功能压缩在一个很小的空间里，但是，它并不适用于微弱信号的精密检测应用中。
        仪器开关是指通过低的电压偏差，低的接触电阻，低噪声和低交叉耦合来进行切换。如果要测量低于10Ω的电阻，比如在连续性测试中，要求小于1mΩ的电阻值和小于1µV的温度偏置电压。这看起来要求有些高，但是只要比这个值高的话，就会明显的降低系统的精度。
        高密度通用开关的说明书通常情况下是不以仪器技术形式写出的。也就是说，制造商们并不认为这种开关适合应用在仪器技术中。
        为什么说低热电动势和低接触电阻时至关重要的呢？如果你看一下7位半的DMM的说明书的话，你就会注意到它的测量精度可以达到几微伏。甚至一个比较好的5位半的DMM的精度也会达到50µV。如果将信号通过一个会引入100µV的误差的开关中，那么你的系统的精度只能是4位半所能达到的精度。

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表1 不同开关配置的误差值

表1中说明了当你应用不同质量的开关对不同信号进行测量时，会引入多大的误差。从中我们可以看出，仪器技术开关所引入的误差比7位半的DMM所引入的误差还要小，而典型的高密度开关引入的误差相当于5位的DMM甚至更糟。

进行电阻测量时，电压要很低，一般要低于2V，这样做可以控制热量并且防止过高的电压打开连接在DUT上的半导体。也就是说，开关系统中的误差不仅影响低电阻（resistance reading），而会影响所有的resistance readings。
        最有效的看待这些误差的方式就是它所占有的被测量的百分比数，如图2中所示。图中描述了电阻测量中不同开关卡的误差分布。它是由标准的万用表对电流和低于2V的电压进行测量得到的。图中的锯齿是由在比较高的电阻范围内降低测量电流而产生的。

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图2 采用不同开关配置对电阻进行测量的误差分布

如图2所示，开关系统会使电阻测量的精度远低于预期值。但是，我们可以做一些事情来弥补这个不足：

很多DMM都有偏置欧姆的功能，这个功能可以部分地校正这个误差。这个会明显的增加测量时间和噪声。
一些DMM使用10mA的激励电流对低电阻值进行测量。这可以使在对低于20Ω电阻时的误差值减小10-fold，而在此刻的误差值是最大的。

同普遍知道的相反，使用四线电阻测量方法并不能改变那些误差。四线测量只能消除在测量过程中由test-lead resistance产生的误差；而对于减小测量过程中的电压误差没有任何作用。

这些电压误差是从哪里产生的呢？
        电磁式继电器的物理性质所造成的电压误差基本上是不可避免的。电磁式继电器是依靠镍铁合金元素工作的，并且当磁场打开的时候就会形成一个回路。镍铁合金是焊接在铺铜的电路板上的。
        镍铁合金和铜之间的连接点会形成一个热电偶，而这个热电偶会产生约为40 µV/°C的温度变化。许多高密度和矩阵开关在设计时有不同的侧重点，因此在不同的继电器上的温度就会有些不同。正因为如此，电压误差随之产生了。

高电压
        开关系统必须要处理的最大电压是什么？电压等级很明显。只能允许一些瞬间电压。如果开关必须处理输电线上的电压，那么此时安全设备开始运动。

高电流
        最大和最小电流分别是什么？采用电镀金属的继电器转换高于2A的电流时不能工作在干式接点转换模式。换句话说，只有当接点上流过的电流符合继电器的要求时，继电器才能很好的工作。因此，如果需要转换较高的电流和很低的电流的时，需要两种不同的开关来实现。

RF
        分离高频的和低衰减的需要特殊开关拓扑结构和传输线连接。这是非常特殊的。

软件支持
        开关卡的软件驱动器是否支持你需要的拓扑机构呢？合适的软件会使你的工作变得相当简单。否则的话就会使你的工作变得很复杂。
在对开关进行排列的时候，包括以下几种情况：

• 高密度采用单一的末端。
• 高精度和低噪声采用微分式。
• 精确的欧姆测量采用四线式。
• 电路内的欧姆测量采用六线式。

一个驱动程序包会随着一些开关卡一起赠送，这个驱动程序包的作用就是使这些配置很容易开始执行。一台机载的微控制器就可以高效快速地进行操作。

结论
        很多开发商提供开关模块，可以和他们聊聊。这些厂商包括Ascor，Pickering Interfaces，Geotest，南美的EADS，NI以及Signametrics公司。每个厂商都有他们各自的优势和劣势。如果你想完整理解他们的产品的特性的话，那么你需要和他们进行详谈。
        开关系统是测试系统中一个很重要的部分，并且在许多情况下，它是整个测试系统中最为昂贵的一部分。认真的选择开关，就可以在系统中得到最好的测量精度。