智能型PXI Switch Module在自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言

使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號(hào)切換，廣泛地應(yīng)用于IC測(cè)試、電力監(jiān)測(cè)管理、工業(yè)流程與交通控制領(lǐng)域。

近年來(lái)隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品走向多樣化，生命周期縮短，價(jià)格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(Automated Test Equipment, ATE)生存競(jìng)爭(zhēng)的首要課題。在工業(yè)控制及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，價(jià)昂、封閉規(guī)格的專用控制系統(tǒng)則面臨PC-Based測(cè)控解決方案開(kāi)放、價(jià)廉與高效能的挑戰(zhàn)。

本文對(duì)繼電器信號(hào)切換所做的技術(shù)簡(jiǎn)介與實(shí)例應(yīng)用介紹，將使讀者了解架構(gòu)于PXI系統(tǒng)上的智能型PXI Switch Module，對(duì)高效能測(cè)控所帶來(lái)的好處。

基本拓樸（Basic Topology）

構(gòu)成Switch Module的開(kāi)關(guān)具有多種形式，可粗分為電磁式與半導(dǎo)體式，前者包含電磁式機(jī)械繼電器(Electro-mechanical Relay)、磁簧繼電器(Reed Relay)，后者包含場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)(FET Switch)及固態(tài)繼電器(Solid State Relay)等。以下內(nèi)容主要以電磁式繼電器為主。

常見(jiàn)的Switch Module的結(jié)構(gòu)示意圖有下列三種：

General Purpose

如圖 1，這種結(jié)構(gòu)采用多個(gè)相互隔離的單刀單擲型繼電器(SPST Relay)或單刀雙擲型繼電器(SPDT Relay)。一般做為開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

Multiplexer/Scanner

如圖 2，為n進(jìn)1出的多任務(wù)器/解多任務(wù)器型，適用于多組信號(hào)源必需使用同一個(gè)信號(hào)端口的情形，反之亦可。

Matrix

如圖 3，為m進(jìn)n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進(jìn)行多重信號(hào)的交換耦合，也可使用軟件規(guī)劃為其它兩種結(jié)構(gòu)，適合架構(gòu)復(fù)雜且高度靈活的測(cè)試設(shè)備。

對(duì)于高精度量測(cè)常使用2-wire及4-wrie接線模式，Relay Switch模塊會(huì)對(duì)差分信道進(jìn)行特性匹配以獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

電磁式繼電器的切換瞬時(shí)特性

使用電磁式繼電器作為信號(hào)切換時(shí)，應(yīng)先對(duì)其延遲特性有初步了解，方能獲得快速且準(zhǔn)確的量測(cè)結(jié)果。使用者常以繼電器開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻來(lái)估算理想的量測(cè)時(shí)間點(diǎn)，兩個(gè)重要的時(shí)間參數(shù)為（參考圖 4）：

1)Operate Time：驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)繼電器直至開(kāi)關(guān)第一次閉合的時(shí)間，為A-B區(qū)段。

2)Bounce Time：繼電器第一次閉合直至開(kāi)關(guān)彈跳(Bounce)結(jié)束的時(shí)間，為B-C區(qū)段。

實(shí)際上使用者可能會(huì)希望有充足的時(shí)間讓系統(tǒng)達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)，則必需在C點(diǎn)后加入自定的穩(wěn)定延遲時(shí)間(Settling Time)，從而最終采樣時(shí)間點(diǎn)將落在D點(diǎn)。因此，自驅(qū)動(dòng)電路推動(dòng)繼電器后，共需經(jīng)過(guò)Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進(jìn)行有效量測(cè)。前兩項(xiàng)參數(shù)會(huì)因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變，第三項(xiàng)參數(shù)則隨測(cè)試儀器與被測(cè)物的搭配而存在一定的差異。

為了提升測(cè)試系統(tǒng)的整體效能，使用者必需盡量縮短信號(hào)切換的時(shí)間，同時(shí)又要顧及信號(hào)完整性(signal integrity)。此外，主系統(tǒng)可能還需要提供大量運(yùn)算資源進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析、報(bào)表產(chǎn)生甚至處理圖形化人機(jī)接口。