如何正確地為測(cè)試系統(tǒng)選擇開關(guān)

　　我們經(jīng)常會(huì)責(zé)備一些創(chuàng)建系統(tǒng)失敗的用戶，主要是由于這些用戶將一個(gè)7位半的數(shù)字萬用表(DMM)和一個(gè)僅僅支持4位半精度的開關(guān)系統(tǒng)組合到一起使用。在很多這樣的例子中，用戶從來不將開關(guān)系統(tǒng)作為一項(xiàng)可能產(chǎn)生誤差的原因考慮。在其他一些例子中，用戶意識(shí)到了可能會(huì)出現(xiàn)的誤差，但是他們并不能有效的約束或者控制這個(gè)誤差。一旦你意識(shí)到了需要根據(jù)電氣需求選擇合適的開關(guān)模塊的時(shí)候，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)一種型號(hào)不可能適合所有的應(yīng)用。你需要在所要實(shí)現(xiàn)的需求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合適的開關(guān)系統(tǒng)。這也意味著在系統(tǒng)中可能會(huì)用到不止一種類型的開關(guān)。

　　一個(gè)值得引以為戒的例子

　　當(dāng)我們?cè)诤鸵患掖笮歪t(yī)療設(shè)備公司合作的時(shí)候遭遇了一次慘痛的經(jīng)歷。這家公司與另外一家系統(tǒng)集成商簽約，讓對(duì)方為自己集成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，以便對(duì)起搏器中使用的電纜的可靠性進(jìn)行測(cè)試。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的要求很簡(jiǎn)單：只需要測(cè)量當(dāng)幾個(gè)電線相互彎曲和扭曲的時(shí)候的電阻值。這個(gè)系統(tǒng)需要探測(cè)的電阻值的變化量是20mΩ。

　　系統(tǒng)集成商選擇一塊PXI的開關(guān)卡和一個(gè)6位半的PXI

　　DMM，這樣的選擇更多的出于對(duì)商業(yè)關(guān)系的考慮，而不是對(duì)技術(shù)要求的考慮。從而導(dǎo)致的結(jié)果是系統(tǒng)測(cè)量顯示的結(jié)果在200mΩ的范圍內(nèi)變化，因此這個(gè)系統(tǒng)是不能使用的。

　　集成商并沒有解決這種問題的經(jīng)驗(yàn)，并且供應(yīng)商沒有提供任何技術(shù)支持。由于終端用戶采用的是一個(gè)無用且昂貴的系統(tǒng)，項(xiàng)目被延期交付，集成商也沒有對(duì)產(chǎn)生問題的給出合理解釋和解決方案，項(xiàng)目宣告失敗。

　　最終，這個(gè)終端用戶打到我們SignametrICs公司的尋求技術(shù)支持。我們的解釋就是問題的產(chǎn)生主要原因是在測(cè)試系統(tǒng)中選擇了不合適的硬件模塊所造成的。我們向他推薦了一個(gè)Signametrics公司的SMX4032儀器開關(guān)卡和一個(gè)SMX2064

　　7位半的DMM給這個(gè)客戶，并且保證如果不能使用的話我們會(huì)全額退款。采用了我們建議的設(shè)備后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況很好，現(xiàn)在那位客戶也很滿意。

　　為什么會(huì)發(fā)生這種情況呢?當(dāng)你認(rèn)識(shí)到在這個(gè)情況下存在的許多不定因素的時(shí)候，你就會(huì)覺得這個(gè)問題很容易回答了。這個(gè)終端用戶是機(jī)械工程師，他很信任集成商的判斷。集成商在軟件和系統(tǒng)整合方面也很熟悉，但是卻沒有測(cè)量相關(guān)的技術(shù)背景。最初的那位銷售人員也沒有足夠的儀器技術(shù)知識(shí)，所以不能很好的理解客戶提出的需求。而提供設(shè)備的供應(yīng)商也沒有對(duì)他的產(chǎn)品進(jìn)行有效的技術(shù)支持。這一系列問題最終導(dǎo)致產(chǎn)生了前面的結(jié)果。

　　可疑的假設(shè)

　　當(dāng)你選擇開關(guān)系統(tǒng)的時(shí)候，很有可能產(chǎn)生一些對(duì)后續(xù)應(yīng)用不利的假設(shè)條件。下面就是一些比較普遍的誤區(qū)：

　　當(dāng)要在不同測(cè)試設(shè)備中進(jìn)行信號(hào)傳送時(shí)，開關(guān)時(shí)一種理想、簡(jiǎn)便的儀器。其實(shí)并不是這樣的。這種想法會(huì)導(dǎo)致令人困惑的結(jié)果。

　　矩陣開關(guān)可以允許將任何輸入和任何輸出進(jìn)行連接。如果后續(xù)的需求需要改變的話，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟件的改變就可以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)也并不完全正確。如果這樣做的話，你會(huì)為此付出沉重的代價(jià)。

　　如果你認(rèn)為只要規(guī)定開關(guān)系統(tǒng)能夠處理的最大電壓和最大電流，就可以滿足所有的低于最大電壓和最大電流的輸入需求的話，那么你錯(cuò)了。

　　如果需要測(cè)量很低的電壓或電阻的話，只需要通用的開關(guān)或者矩陣開關(guān)就可以很好的實(shí)現(xiàn)。這種想法肯定也是不正確的。開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)說明書上所提到的所有功能。如果說明書上沒有標(biāo)明的功能，比如溫度偏置電壓，在這種情況下你也不知道得到的結(jié)果是什么。

　　如果需要進(jìn)行精密電阻測(cè)量的話，一個(gè)四線的線路可以通過開關(guān)通道消除所有的誤差。這種想法也是不正確的。這種做法可以減小一些誤差，但不是全部的。

矩陣開關(guān)VS.多路復(fù)用器

　　首先一點(diǎn)是，無論是矩陣還是多路復(fù)用器都是一種開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。矩陣開關(guān)是很通用的。它能夠?qū)⑷魏屋斎牒腿魏屋敵鲞M(jìn)行連接。當(dāng)后續(xù)的應(yīng)用中需求發(fā)生了變化，那么只需要進(jìn)行軟件的改變就可以實(shí)現(xiàn)。并且簡(jiǎn)單的外圍電路圖顯得很簡(jiǎn)潔。

　　不幸的是，當(dāng)你希望在每個(gè)交叉點(diǎn)上使用一個(gè)繼電器來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的開關(guān)矩陣的話，就會(huì)需要很多個(gè)繼電器。這樣的話物理尺寸和成本就會(huì)急劇的上升，甚至于超出控制范圍。

　　一個(gè)比較劃算的方法來實(shí)現(xiàn)矩陣是采用開關(guān)樹的結(jié)構(gòu)。但是這種樹形結(jié)構(gòu)需要每條連接線路都經(jīng)過個(gè)別的繼電器觸點(diǎn)，這樣的話就會(huì)明顯的降低系統(tǒng)的精確性。這種精度的降低會(huì)以增加繼電器的泄漏電流和熱補(bǔ)償電壓這兩種形式表現(xiàn)出來。同時(shí)，還要考慮將繼電器觸點(diǎn)和矩陣進(jìn)行焊接所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)檫@里沒有對(duì)多路復(fù)用器進(jìn)行保護(hù)，而多路復(fù)用器中的所有繼電器在自動(dòng)打開前都會(huì)關(guān)閉選定的通道。

　　多路復(fù)用器的使用更加簡(jiǎn)單。它采用先開后合的順序?qū)路輸入中的一路轉(zhuǎn)換到子總線上。然后用一組開關(guān)將子總線信號(hào)切換到測(cè)試卡上。如果包含了很多個(gè)輸入，那么利用更多的子總線添加更多的掃描卡來實(shí)現(xiàn)。由于繼電器的數(shù)量是合理的，因此，總的大小和成本也是可以接受的。

　　某些多路復(fù)用器允許將n選一的輸入轉(zhuǎn)換為4選1的輸出(如圖1)。更多的多路復(fù)用器還會(huì)提供一些軟件工具來簡(jiǎn)化開關(guān)卡的控制。當(dāng)輸入狀態(tài)為高阻抗的時(shí)候，多路復(fù)用器可能會(huì)產(chǎn)生一些遺漏問題，但是對(duì)于微弱信號(hào)基本上不會(huì)產(chǎn)生任何問題。

　　通用，高密度的開關(guān)

　　很多工程師喜歡選擇高密度的開關(guān)，因?yàn)樗m用于很多的應(yīng)用。

　　有些問題并不是通過通過閱讀說明書就能明顯看出來的，但是這些問題會(huì)導(dǎo)致許多測(cè)量功能明顯降低。由于高密度開關(guān)具有很高的溫度偏置電壓，因此在電阻溫度檢測(cè)(RTD)和熱電偶測(cè)量中就會(huì)出現(xiàn)明顯的功能退化。與廣泛的被接受想法相反，使用四線電阻測(cè)量方法并不能完全消除溫度偏置電壓。第二個(gè)因素就是由于接近PCB的布線和繼電器，高密度開關(guān)會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。

　　圖1 Signametrics公司的SMX4032的儀器技術(shù)開關(guān)卡

　　總之，高密度開關(guān)可以將許多功能壓縮在一個(gè)很小的空間里，但是，它并不適用于微弱信號(hào)的精密檢測(cè)應(yīng)用中。

　　儀器開關(guān)是指通過低的電壓偏差，低的接觸電阻，低噪聲和低交叉耦合來進(jìn)行切換。如果要測(cè)量低于10Ω的電阻，比如在連續(xù)性測(cè)試中，要求小于1mΩ的電阻值和小于1μV的溫度偏置電壓。這看起來要求有些高，但是只要比這個(gè)值高的話，就會(huì)明顯的降低系統(tǒng)的精度。

　　高密度通用開關(guān)的說明書通常情況下是不以儀器技術(shù)形式寫出的。也就是說，制造商們并不認(rèn)為這種開關(guān)適合應(yīng)用在儀器技術(shù)中。

　　為什么說低熱電動(dòng)勢(shì)和低接觸電阻時(shí)至關(guān)重要的呢?如果你看一下7位半的DMM的說明書的話，你就會(huì)注意到它的測(cè)量精度可以達(dá)到幾微伏。甚至一個(gè)比較好的5位半的DMM的精度也會(huì)達(dá)到50μV。如果將信號(hào)通過一個(gè)會(huì)引入100μV的誤差的開關(guān)中，那么你的系統(tǒng)的精度只能是4位半所能達(dá)到的精度。

　　表1 不同開關(guān)配置的誤差值

　　表1中說明了當(dāng)你應(yīng)用不同質(zhì)量的開關(guān)對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)引入多大的誤差。從中我們可以看出，儀器技術(shù)開關(guān)所引入的誤差比7位半的DMM所引入的誤差還要小，而典型的高密度開關(guān)引入的誤差相當(dāng)于5位的DMM甚至更糟。

　　進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，電壓要很低，一般要低于2V，這樣做可以控制熱量并且防止過高的電壓打開連接在DUT上的半導(dǎo)體。也就是說，開關(guān)系統(tǒng)中的誤差不僅影響低電阻(resistance

　　reading)，而會(huì)影響所有的resistance readings。

　　最有效的看待這些誤差的方式就是它所占有的被測(cè)量的百分比數(shù)，如圖2中所示。圖中描述了電阻測(cè)量中不同開關(guān)卡的誤差分布。它是由標(biāo)準(zhǔn)的萬用表對(duì)電流和低于2V的電壓進(jìn)行測(cè)量得到的。圖中的鋸齒是由在比較高的電阻范圍內(nèi)降低測(cè)量電流而產(chǎn)生的。

　　圖2 采用不同開關(guān)配置對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量的誤差分布