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优化测试系统中的矩阵开关使用方法

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编辑笔记：

随着测试系统中接入点越来越复杂，在测试系统中如何对测试点进行适当的排列以降低测试系统中的开关成本。本文即介绍了在测试系统中如何使用矩阵开关才能达到最佳的成本效益。原文作者为Pickering Interfaces公司的工程师David Owen，由与非网技术编辑王婷、张国强翻译整理，如需转载请注明出处。

对于任何测试系统来说，开关系统都是至关重要的一部分。它可以将待测单元（DUT）的接入点和各种不同的资源进行连接，并且对设备进行测试，从而核实设备中的这部分功能的效用。开关可以给很多种信号提供接口连接，但是一些看似简单的测试要求需要很多开关才能满足应用需求。在测试应用中，很少会要求对大量的射频和微波信号，或者大功率信号进行测试的。最复杂的开关问题通常涉及到“简单的”现场部件，电压，电流，短路或开路，以及通过大量输入数据对正在进行测试的设备进行控制这些方面。测试本身并不复杂，而是测试和接入点的数量引起复杂的测试问题。

有很多方法可以解决这个问题。首先，最简单的方法就是认为每一个接入点都需要进行驱动或测量，然后给每一个接入点连接一个开关，将输入点信号传递给系统中不同的测试设备。然而，很快的就会看出来，这种传递的要求需要很多不同的开关来满足每个接入点。

为了说明问题，我们假设待测器件是放大器和用来将控制信号发送给智能天线系统的开关系统。这个待测系统可能包括双稳态微波开关，放大器，可控移相器和与系统其它部件进行通讯的信号输入输出设备。而测试系统可能包括对测试目标提供额外接入点的探针（飞针或a bed of nails）。

测试系统的主要任务就是保证系统中单独的部件正确的安装在一起。系统中的主要构成部件需要在制造的开始阶段进行测试，这种测试在现场或供应商的工厂进行。测试装置需要一个或多个数字万用表（DMM），数字输入输出信号源，可能还需要一些简单的信号源和检查通道连续性的测量装置等。

为了减小测试系统的规模和成本，可以在PXI的机箱上进行测试。

采用多路复用器对双稳态微波开关进行测试，是一种比较简单的方法。利用另一个多路复用器可以采用内置读回线对每个开关的状态进行检测，内置读回线可能是一个以开关类型存在的可变电阻器或数字输出。和开关相联系的微波线圈可以通过在选定的通道上加入连续性或信号测试来进行检测。测试说明书中可以提出这样的要求，就是采用DMM上的连续性功能进行一项测试，这项测试的作用就是用来保证任何一个微波线圈驱动器都没有和其它部件发生短路。接入通道可以有一系列系统中的a bed of nails测试点或测试接入点来提供。

需要更多的多路复用器来驱动其它的输入输出功能，对移相器进行连续控制，以及在此进行测试以保证只有寻址移相器的状态发生变化。

当测试方案中需要解决的问题越来越多的时候，测试系统就会变得越来越复杂了，而且可能会测试在结果出现一些不可预知的错误。当需要处理的测试件的数量较小的时候，基于分离式的多路复用器的开关解决方案会是一个不错的解决方案。当测试需求进一步扩展后，那么这种方法就会变得不适用了，因此随着多路复用器或开关模块数量的增加，新的解决方案则需要占用PXI机箱上更多的空间。
低效的矩阵测试方法

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图中是一个12*8的矩阵开关。这个矩阵开关是由96个继电器将8条Y向线路和12条X向线路连接在一起的。在每个交叉点上都有一个继电器，这个继电器是将横向X轴和纵向Y轴连接在一起，或将两者分开的。

实现开关切换的一个比较通用的方法就是采用交叉点开关或矩阵排列来实现。在矩阵开关中，一系列的横向（X轴方向）和纵向（Y轴方向）线路在每个交叉点上相互连接着。开关最简单的结构是，在通常的状态下是常开的，而在上电后则断开连接，形成闭合状态，但是，也可能存在其他的结构。开关允许矩阵中任何横向线路与纵向线路在任意点的连接。
应用矩阵排列比较简单的方法就是，将待测件的接入点安排在一个方向上（如X向），将测试装置安排在另一个方向上（如Y向），这样的话每个接入点都可以和测试装置进行连接。在纵向Y向上的线路数量和横向X向上的线路数量没有什么限制，因此，如果将大量开关闭合的话就会使测试装置负载过重。这个方法也存在问题，这个问题就是如果测试中需要的连接数量太大的话，就会需要一个很大的矩阵来完成测试任务。当然，如果每个测试都需要利用到测试装置中大部分或者是所有的配置的话，那么矩阵排列是一种很理想的技术。但是在很多情况下，当一个测试项目正在进行的时候，这个测试系统中的其他功能都是不起作用的，换句话说就是，当一个测试进行的时候，矩阵中大部分都是多余的。如果需要进行测试的设备有30个接入点，而测试系统中有300个接入点的话，那么这个矩阵就需要9000个继电器。
更有效的利用矩阵
可以选择另一种方式对矩阵进行配置，这种方式可以得到更为高效，并且Pickering公司的BRIC也非常适用在这种方式中。前面提到的矩阵构成方式是，将测试装置和Y向进行连接，将待测设备的接入点和X向进行连接，下面我们采用另一种方式重新对矩阵进行排列，将所有的测试装置以及待测设备的接入点都和X轴向进行连接。而Y轴则是将X轴方向上的不同设备进行相互连接。尽管在许多应用中，如果PXI的前面板上有需要的话，Y轴是可用的，但是Y轴的输出并没有用到。

Y轴上需要连接的数量不再取决于测试装置需要的连接，而是取决于进行一项测试所需要的最大的连接数量。这样的话，矩阵的Y向的需求量就会比较小了。这样就能是矩阵的利用更为有效并且降低它的成本。在大多数系统中，对于任何一项测试仅需要8条Y向线路就可以完成所有的测量及相应的驱动。

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图中的矩阵将测试装置和待测设备接入点都放在了X轴方向上。这个简单的例子包含了19个测试轴向点，但是，测试装置接入点和待测设备接入点的分界能够很容易地改变。

就拿前面提到的那个例子来说，采用这种矩阵排列方式只需要330个测试点（300个待测设备接入点和30个测试装置接入点）以及8条Y向连接线即可，一共需要2640个继电器，仅为上面提到的那种排列方法需要300乘30个点的继电器数量的30%。这样就可以在开关系统中节省了很大的开支。
此外，如何由于待测设备接入点的增加而需要对测试系统进行扩展的话，只需要增加X轴上的点数即可，这样继电器数量的增加就是比例的增加而不是几何的增加。同样的，如果测试装置接入点的数量增加的话，同样可以通过增加测试装置在X轴上的数量即可。整个矩阵尺寸的增加只表现在一个方向上的增加，这就避免了继电器数量的几何方式的增加。
Pickering Interfaces公司的BRIC在上面提到的这些情况下都是可以应用的。假如BRIC在购买的时候并没有配置子板卡的最大数量，如果需要对这个模块进一步扩展的话，只需要购买并安装更多的板卡即可。假如新的测试要求所需要Y向连接的数量（测试时需要同时作用的连接）并不需要继续扩展，那么BRIC模块只需进行相应的改变就可以适应新的测试要求，而不需要替换整个模块。这种灵活性也增加了相同的模块在以后的测试系统中的应用机会，这对于产品使用寿命相对较短的工厂或工程领域有着很重要的现实意义。
总结

采用BRIC模块的矩阵开关通过以下方式得到更为有效的应用：