如何降低測試系統(tǒng)開關噪聲
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本文所述的噪聲降低技術準則是針對信號頻率低于300MHz、電壓低于250V、電流小于5A和伏赫乘積小于107。
任何新式測試系統(tǒng)都用很多信號和電源線來仿真和測量DUT（待測器件），并有各種各樣的開關進行自動連接。通用測試系統(tǒng)結構示于圖1?？刂瓶偩€示于圖中左邊。模擬、數字和電源總線作為垂直線對示于不同子系統(tǒng)后面。
開關是整個系統(tǒng)的中心，互連很多測試點到測量儀器和路由信號、電源到DUT。幾乎所有模擬和數字信號以及電源通過開關系統(tǒng)。
如果設計不注意，開關系統(tǒng)可能是測量誤差之源。有時是莫明其妙的誤差。其原因是簡單的，很多的互連通常彼此緊靠著，這為噪聲耦合提供足夠的機會。每個噪聲問題都有一個噪聲源，以某種形式耦合到接收機，依次對噪聲敏感。
解決噪聲總是的步驟
解決噪聲問題有3個步驟
1. 必須識別噪聲源；
2. 必須確定接收點；
3. 必須確定耦合方法。
至于開關系統(tǒng)中的內部噪聲源可有由下列原因產生：驅動開關的電路，開關上的熱不穩(wěn)定性，來自系統(tǒng)中其他導體的耦合噪聲和系統(tǒng)外部所產生的噪聲。
來自鄰通道的噪聲耦合到測量通道，對信號完整性是一個威脅。耦合噪聲的最重要的原因是電導耦合，共阻抗耦合以及電場和磁場。
另外，某些系統(tǒng)對來自動電動作、熱耦噪聲、電解動作，熱電效應和導體運動引起的噪聲敏感。開關系統(tǒng)電路也對來自無線電、電視和其他無線廣播的電磁輻射敏感。
用機械設計可使熱不穩(wěn)定性最小，保證繼電器中的所有接觸點得到在引腳線中相同的溫度梯度，或用閉鎖繼電器使熱穩(wěn)定度最小，只要有可能，就采用閉鎖繼電器，閉鎖繼電器繞組被激勵只是瞬時，通常15~20ms使繼電器觸點傳輸和閉鎖。從而使熱產生源減少，而對于采用非閉鎖電樞繼電器來講，這是主要的熱產生源。
適當地屏蔽和接地技術，可有效地解決硬連線系統(tǒng)中的很多噪聲耦合問題。但是，當信號必須選擇開關到示波器、計數器或其他測量儀器時，問題變得嚴重了。
很多情況下，噪聲源是系統(tǒng)中的鄰通道（串擾）。在簡化的等效電路（圖2）中，開關系統(tǒng)中的大多數寄生電容跨接在斷開觸點和鄰近導通通路之間。如同任何電容那樣，噪聲耦合是面積和距離的函數。所以，降低耦合的簡單方法是開關和導線彼此之間的分離。
但是，希望增加開關密度，在一個較小的封裝內能提供更多能力。當今被測系統(tǒng)趨于更復雜和具有更多的點線。所以，測試工程師面對增加無件密度和同時增加通道間距離的困難。
在某種情況下，對一個噪聲問題的解決方案，對待不同的噪聲問題可能會降低方案的有效性。必須很好的了解噪聲源、耦合方法和噪聲接收器，以便對這些因素做適當的折衷考慮。
根據經驗，導線直徑40倍的物理分離距離將衰減噪聲8dB左右。導線間更大的分離幾乎沒有影響。
樹開關
樹開關分離彼此的開關列，這對于降低大系統(tǒng)中雜散斷開開關電容是相當有效的，這種雜散電容是連接系統(tǒng)中未用并聯(lián)繼電器所引起的。如圖2所示，樹開關置在左邊H、L、G線和左邊16通道的3列之間。引入的繼電器與輸入繼電器串聯(lián)可降低這種雜散電容。
對于16通道多路開關，這種串聯(lián)開關配置能有效地降低測量電路的雜散電容。這使串擾小、測量建立時間快。
T開關
T開關是把所有未用通道與測量總線隔離，用低電容通路到地。這種隔離是在單導線上實現(xiàn)的，在信號通路中插入2個，另外的接點。結果在高頻具有良好的通道間信號隔離。
T開關原理說明示于圖3。圖中所示上面的源VN與負載電阻斷開，這是因為開關A和B是新斷開的，開關C是閉合的。因此，開關的T部分有效地并接到地。然而，在另一個位置具有相應觸點的下部源VS連接到負載R2。
降低開關電容和耦合噪聲的另一方法是使開關和開關觸點間隙大或使觸點面積特別小。例如，Agilent 876A同軸SPDT開關在其開關動作中利用非常長的接入。這使斷開觸點間隙最大。此開關是封裝在精密的金屬殼中，以保證大于18GHz的信號完整性。
最佳化接地
應同樣重視系統(tǒng)其余部分的設計，接地和屏蔽可解決大部分的噪聲問題。不合理的接地可能是主要的噪聲源。一個有效的接地系統(tǒng)必須使從兩個或多個電路流經公共地阻抗的電流所產生的噪聲電壓最小，并避免生成對磁場和地電位差敏感的地環(huán)路。
盡管接地有很多可能的原因，但兩個最普通的原因是提供安全和為信號電壓提供一個等電位基準。提供安全地，使得儀器機箱之間的阻抗破壞和電源線的高壓線經低阻抗通路到地。這樣的地總是在零電壓電位。信號地可以或不是在零電壓而可以認為是電路或系統(tǒng)的等電位電路基準點，或電流返回到源的低阻抗通路。
首先，確定是理想地的標準說明。第二強調IR壓降的事實，這可發(fā)生在地平板內并耦合噪聲進入信號導線。
設計合理的系統(tǒng)將具有信號通路和確定的返回通路，因為這兩個通路對于工作系統(tǒng)是基本的。但是，往往忽略了返回通路。
工程師往往花費很大的力量設計從一個系統(tǒng)到另一個系統(tǒng)的信號通路，但往往忽略返回通路。若在設計期間忽視返回通路，則放電路經降低噪聲的任務就變得更加困難。
設計不好的返回通路可改變依賴關系。改變返回通路可出現(xiàn)間斷問題，并產生不希望噪聲的出現(xiàn)。
在大多數系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)的不同元件需要分離地返回通路。低電平信號地應該與硬件地和有噪聲的地（如繼電器和馬達地）分離。在敏感系統(tǒng)中，分離信號地為低電平和數字地，避免較高電平，較多噪聲的數字信號耦合到低電平信號線。
若AC電源分布在整個系統(tǒng)，則電源地應該連接到扣殼或硬件地。單地基準點應該用于低電平工作。另外，地電平的任何差別將在信號通路中呈現(xiàn)出噪聲。
如圖4所示，若儀器的低端接地（Z2=0），則ECM直接跨接在R6，它是與輸入信號串聯(lián)，然而，浮置的儀器低端（見圖4）使Z2增加到較大的值，并構成電壓分壓器，這可降低測量通路噪聲大約R6/Z2倍。
單點地系統(tǒng)
單地不是單點就是多點。單點地可以并聯(lián)或串聯(lián)。為了避免噪聲耦合，最合乎需求的霎地方法是串聯(lián)地。這也是最便宜和最容易連線的，所以最廣泛采用。
對于非關鍵性應用，串聯(lián)地工作令人滿意。最關鍵性電路應放置在最靠近主地點。
在高頻，限制并聯(lián)單點連接地采用。地導線電感增加地阻抗，而幾個并聯(lián)地導線會引起它們之間的電容耦合。隨著頻率的增高，情況會更加嚴重，在足夠高的高頻，接地線將如同天線并幅射噪聲。通常，接地線的長度應小于波長的1/20，以避免幅射和保持低阻抗。
多點地系統(tǒng)
多點地系統(tǒng)用在高頻，在多點地系統(tǒng)中，來自所有電路的所有地電流流經公共地阻抗。通常，連接電路到最近的可用的低阻抗地平板，這往往是系統(tǒng)機殼。
地平板的低阻抗是由于它的較低的電感所致。到地平板的連接必須盡可能短以使電路和地之間的阻抗最小。
頻率低于1MHz，通常單點地系統(tǒng)是較好的；10MHz以上，多點地系統(tǒng)是最好的。對于1~10MHz，若最長的地返回長度小于波長的1/20，則可采用單點地系統(tǒng)。假若這是不可能的，則應該采用多點地系統(tǒng)。
纜線比較
選擇合適的纜線類型是一個主要的系統(tǒng)設計功能，在兩個屏蔽間具有絕緣的雙屏蔽同軸電纜或3線電纜，能提供抗噪聲耦合的最大保護。因為噪聲電流流經外層屏蔽，信號返回電流流經內層屏蔽，這使得兩個電流不流經一個公共阻抗，并不產生噪聲耦合。
帶屏蔽地的同軸電纜1個點時，能提供對電容拾取噪聲的真正有價值的保護。在1MHz以上，沿同軸纜屏蔽表面的趨映效應勢必會在影響噪聲電流將流經屏蔽外部，信號返回電流將流經屏蔽內部。在DC-VHF頻率（30MHz_300MHz），同軸電纜的阻抗比較一致。
雙絞線和屏蔽雙絞線適合于幾百KHz的應用。然而，幾百KHz以上，這類電纜易于信號損失。屏蔽雙絞線在較低頻率，其性能可與同軸電纜相比。除非同在平衡電路中，非屏蔽雙絞線抗電容拾取噪聲的能力較弱。然而，它對磁拾取具有效的抗噪聲度。
保持經過連接器的信號完整性
只要有可能，應該保持信號及其屏蔽能經過連接器。隔離的BNC連接器近乎理想，因為為屏蔽是連續(xù)的上保持電纜隔離和阻抗。
但是，這樣的連接器在測試系統(tǒng)中往往是不現(xiàn)實的，因為測試系統(tǒng)需要較高密度的連接器。在這種情況下，高電平和低電平信號應該經分離連接器運行。若它們必須經同一連接器運行，則它們放置在相隔盡可能遠處，用接地線放置在它們之間以增強隔離。
通過分離引腳的連接器，必須保持屏蔽。連接所有的屏蔽到單引腳或連接器外殼會形成地環(huán)路并使屏蔽電流流經個別屏蔽間。
纜線線束和連接器準則
DUT和開關系統(tǒng)之間的接口為噪聲進入測試系統(tǒng)提供方便通路。為避免此問題應遵從下列準則：
纜線線束
* 高電平和低電平引線不應共享同一纜線線束。
* 在系統(tǒng)中不應該破壞屏蔽的完整性。
* 對于低頻，應該隔離屏蔽以避免在系統(tǒng)其地點接地。
連接器
* 在連接器中應該分離高電平和低電平引線。
* 接地線應該盡可能放置在信號引線之間。
* 任何未用的連接器引腳應放置在信號引線之間，并應接地。
* 每個纜線屏蔽應有自身的連接器引腳通過電接器。
結語
在測試系統(tǒng)中為了得到精確的測量，保持信號完整性是極其重要的。最好的方法是抑制噪聲和保持噪聲耦合最小。根據DUT、測試儀器，開關和其他元件及連接器的輸入和輸出特性，仔細關注合適的接地和屏蔽可以做到這點。
對于當今高性能系統(tǒng)，小的誤差可能導致顯著的噪聲。適中的頻率和幅度是相當容易路由和測量的，但必須注意避免地環(huán)路。對于高頻和低電平信號需要特別注意開關類型和開關配置，以保持整個系統(tǒng)中信號完整性。
圖1、通用測試系統(tǒng)結構
圖2、樹開關
圖3、T開關簡圖
圖4、浮置儀器的等效電路
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