测试系统开关技术
设计完善的开关系统至少应具备3个子系统：计算机控制与处理、测量仪表和开关。只要再增加DUTC(被测设备)电源和DUT负载就构成完整的功能测试设备。无可争辩的是,开关子系统是测试系统的心脏,因为所有其它子系统是测试系统的心脏,因为所有其它子系统都要与它接口。因此,对它有一个全面的、正确的了解是十分必要的。开关子系统的技术要求是十分广泛的。就测试信号而言,工作频率覆盖了DC直至超过25GHz,幅度从毫伏级至数千伏,电流从几个毫安至数安培。导线和继电器带来的电容会产生定时和串扰问题,而电感会形成电流环和电压火花。再者,连接仪表和DUT的接点数量范围在几个至数千个之间。当信号的变化幅度超过二个数量级时,开关速度取决于使用的继电器种类,从而极大地影响系统的总吞吐率。鉴于开关系统如此广泛的性能要求,出现众多的、可供选择的继电器种类也就不足为奇了。
继电器种类
所有COTS(商品化)开关解决方案都采用插卡式机箱,涵盖了VXI、PXI以及供应商开发的低价专用机箱。在上述所有场合,有多种开关结构,可选用5 种继电器：衔铁式继电器、簧片式继电器、MOS继电器、RF继电器和微波继电器。
图1 典型的2线继电器多路开关
衔铁式继电器和簧片式继电器都属机电型电磁继电器,所不同的是,前者的电磁线圈使衔铁片运动,继而使接触片闭合;而后者的干簧片本身是磁体,磁性线圈直接让簧片吸合。衔铁式继电器有锁定的非锁定的两种形式。自锁式继电器的热残留偏移电压极小,这对测量低压是至关重要的。这种继电器也是高电压(>100V)或大电流(>500mA)的最佳选择。簧片式继电器的开关速度比衔铁式继电器快,电压和电流的承受能力比MOS继电器高,但它固有的热残留偏移电压较大,且随温度变化,限制了它的应用。虽然可以采取一些措施使这个效应降至最小,但这样做又会增加继电器的成本。
MOS继电器由几个FET组成。外加电压至控制电路,使FET的漏极和源极导通。如果想要较快的开关速度,且不计较有较高的通导电阻,MOS继电器是不错的选择。这类开关的寿命几乎是无限的,但与机械式继电器相比,易发生静态损坏,也不能承受高电压和大电流。
RF和微波继电器的结构与MOS继电器类似。这种继电器最适合低插入损耗的应用,主要考虑因素是VSWR(电压驻波比)和规定的特征阻抗,典型是50Ω或75Ω。
上述5种继电器都能胜任GP(通用)继电器。最常用的是单刀单掷常开型(SPST-NO,A型)和单刀双掷(SPDT,C型)。B型是SPST继电器的常闭型,由于这种继电器在不通电时会产生有害的电压,因此并不常使用。衔铁式继电器能承受高电压和大电流,因而是低频应用的首选。GP继电器通常用于将电源和负载(电阻、电磁阀、指示灯等)连接至DUT。它们也能用作接地开关或DUT输入的电源开关。
表1 各类继电器的特性
开关结构
多路开关和矩阵开关是最见的两种开关结构,各有利弊。多路开关设计成nxm形式。例如,1×4开关具有1个公共端,4个开关位置。微波继电器是带公共接地的单通道同轴多路开关。图1是典型的继电器多路开关示意图,图中每个通道用了2个继电器。
测量路径中的感性耦合会在阻抗导线上形成接地环路,为了切断这些环路,继电器应能像开关低阻抗导线那样开关高阻抗导线。这一点对频率低于1MHz下测量电容和电感尤为重要。此外,对2线多路开关,可以施加并测量浮动信号。当然,在进行浮动型测量时,DMM必须具有良好的共模抑制能力。
图2是典型的矩阵开关示例,其中每一行都与每一列相连接。采用矩阵开关形式,源和测量仪表可以连接至DUT的每个接脚。使用2线矩阵开关的理由和使用2线多路开关相同,即为了切断接地环路,减少热偏移电压以及从事浮动测量。
衔铁式和簧片式矩阵常常用单线圈继电器构成,可同时控制上边开关和下边开关,这样能相互抵消继电器中开关对上热偏移电压,将热差动电压降低到最小程度。矩阵中的上边开关和下边开关有时也使用分立的继电器,以便让继电器组单端工作。使用分立继电器只能提供偏移电压的一个校正。
矩阵结构的灵活性还在于价格因素的考虑。对同一项测试任务,矩阵开关多使用的继电器要比多路开关使用的多,从而增加了初期成本。例如,若用户想要将一个信号在不同时刻施加至DUT的70个不同接脚。采购COTS开关插卡,可以选用单块70通道2线多路开关,其费用约为1500美元;也可选用5块2线4×16矩阵卡,然后将每块插卡上4行连接在一起,总费用需5000美元。额外增加的3500美元意味着可以将4个信号(不是一个)馈送到80个(不是70个)接脚,必要时同一个信号能在同一时刻加至多个接脚上。反之,当用户要求多路开关来处理3个以上信号时就必须增加插卡的数量,亦即3个以上每块1500美元的继电器卡。当然,矩阵开关也有不利的一面,每个输入上增加了3个继电器以及相应的PC板走线和导线,附加的电容会使信号延时,更坏的情况,会产生振铃或振荡,增加了精确测量的难度。
图2 2线4×8继电器矩阵开关
图3 内部2线、4线式模拟总线矩阵开关
典型产品介绍
Kinetic Systems公司的P580是一个双倍宽度的3U PXI模块,它能提供34个差动输入通道,在2个独立的模拟路径上以多路开关工作。通过前面板的4个LEMO连接器,最多可以连接4个外部仪表。开关顺序由模块的即插即用驱动器或扫描存储器控制。它作为PXI、VXI平台的核心部件,是数据采集系统、实验室自动化、电压监测、工业过程控制、校验系统及以ATE系统的理想选择。
NI则推出SCXI-1127高压电机继电器型多路开关/矩阵开关,它是一个32通道(2线)高密度衔铁式继电器模块。用作多路开关时,它可在多种模式下工作,包括1线多通道系统、2线差动对系统,或RTD与热敏电阻等电阻测量用3线,4线模式。在安装了前置式终端模块后,它又可转换为64×1矩阵、32×1 2线矩阵、4×8 2线矩阵或16×1 4线矩阵。一个或数个开关模块,再增加一个DMM仪表后,就构成完整的ATE测量系统。
Agilent 的39480A则是一个自成系统的6 1/2精度多功能开关/测量设备,是一个体积小巧,经济实用的单机解决方案。适合设计验证、自动化测试和数据采集工作中的高密度开关测量应用。它替代VXI和PXI,其售价还不到同等性能测试平台的40%。它的主机有8个插槽并整合了6 1/2位 DMM选项。它有19款插入式模块可供选择,提供直流到20GHz的切换能力,数字I/O,D/A变换和频率计数器。一个主机最多可容纳560个2线多路开关,或1024个2线式矩阵开关。34980A还提供USB、Ethernet 和GPIB标准接口,方便地连接至PC。通过Ethernet连接线和图形化网站介面,从远端来存取与控制设备。
34980A的一个重要特点是它内置模拟总线,如图3所示。一个继电器矩阵开关通过模拟总线可将8个仪表连接至内部DMM,附加另一个矩阵开关又可将同等数量的DUT接脚连接起来。这样,它能大大减少所需的继电器数量,降低测试系统的成本。
应用
数据采集系统的特点是具有成千个测量点,分布在广大的区域。典型地,其测量是相同的,诸如电阻或DC电压,因此可用单台DMM扫描全部测量点进行测量。对这类应用,最好使用多路开关。如果对最终测量速度有所要求,也可使用多台DMM。但当同时测量数量超过8时,无论从仪表成本考虑,还是从物理空间考虑,都是不可取的。
下面是数据采集系统的一个实例,用热电偶、应力计和变送器来测量飞机机翼的温度、变形,空气压力和流速,测量点总数达1000个。考虑到衔铁式继电器的热偏移电压低且能用屏蔽线连接,因而决定采用衔铁式继电器,其开关插卡有70个通道,这样,扫描1000个测量点需用15块插卡。
在高噪声环境中,为了使采集的数据噪声较低,常常需要较长的DMM积分时间,比如一个交流电源电压周期,即20ms外加读数时间,以每点40ms(继电器15ms,读数25ms)扫描1000个测量点总计要花40S。若嫌这个时间太长,多台DMM和快速继电器是可能的选择。幸运的是,内置DMM的开关/测量装置,如上述的Agilent39480A完全可以胜任这一任务,6 1/2分辨率、1120个2线通道、20S测量时间,总成本约为25000美元。
功能测试系统必须将电源和激励信号加到DUT,然后测量它的响应。多数应用的信号幅度小于100V,电流小于500mA,但其输出可能包含电感负荷,形成的峰值电压超过500V,电流达30A,甚至更高。固体继电器的源阻抗承受不了这样的负荷,通常选用簧式或衔铁式继电器来连接信号源和DUT,因为这类继电器的电阻极低。对制造行业中的低频应用,考虑到开关时间的因素,MOS开关或簧片式继电器是最佳的候选。在实验室环境中,测试时间并不是主要考虑因素,只要电压、电流、频率合适,可以选用任何一种继电器。
功能测试应用的另一个特点是要求众多的动态重新配置：比如不同种类的信号源要在不同时间施加到DUT接脚;用多台测量仪表来测量DUT的响应。此外,对不同的DUT,常常要在不同时间使用相应的测试系统。这就要求激励源和响应信号与其接脚一一对应。这时,最佳的解决方案是采用继电器矩阵开关。汽车应用是一个典型的实例。一个引擎控制模块约有200个接脚,包括电源与地、激励氧传感器和油门传感器、激励撞击传感器和凸轮/凸轴/上止点输入的AC激励信号、连接至地和电池电压的各种开关输入。还有CAN一类串行通信,4~8个燃油喷射输出、1个点火输出、大量其它电磁阀和指示灯输出等。
一个解决方案是用一块簧片式继电器矩阵开关将16台仪表连接在4路2线模拟总线上;再用6块簧片式矩阵开关将192个DUT接脚连接在模拟总线上。DUT的电流,地和负荷则用大电流GP继电器连接。通过上述明智的选择,就可以在生产环境中来测试这类模块,每次测试时间还不到9S