如何为测试系统挑选合适的开关

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自动测试系统,或者ATE(Automated test systems)具有很多不同的单元,这取决于特定的应用场合,但是在几乎所有的例子中,信号开关都是很常见的模块。没有任何一款信号开关系统能够适用于任何应用,因此对于适当的系统元件的选择就变得非常重要。

对于适当的信号开关的选择要比大多数测试工程师对它的信赖要重要的多。信号开关负责测试单元与激发和响应仪器之间的连接工作(如图1所示)。恰当的连接确保了系统的可重复性以及精度。因为任何测量的精度都只能与其中最薄弱部分的能力相当,因此较差的开关只能带来较差的测量精度。

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图1 图中简化的模块图强调了信号开关在测试系统中作为关键元件的重要性,它是测试仪器获取待测器件资源的门户
 
由于在开关过程中错误的决定会影响系统的可靠性和精度,在测试系统设计中加入一些事先考虑的因素能够带来很多回报。在本文中所提到的问题不仅应用于广泛应用的PXI测试系统,也应用于当今业界广泛使用的各种测试平台中。
 
首先要考虑的问题
在设计具有信号开关的测试仪时,做出谨慎的选择是非常重要的。首先,要从相对较高的水平上对测试计划以及待测器件的设计进行评估。然后再视清单中对于测试平台选择的可获取性和资源的可获取性,进而确定哪些是必须从认可的供应商那里进行采购的。在选择过程中关键的因素是测量精度的可重复性以及测试系统的可靠性。
当进行到测试系统的开关系统时,这里有许多问题。在开始选择开关系统时,要从这一基本方面入手:即继电器类型。能够应用于多种应用类型的继电器对于测试系统的精度和长期的使用寿命都是非常重要的。如果某人都发明工作在26GHz的直流电流、并且能够重复性地处理10A到50mA的电流的话,那么这个人应当非常富有。但是在现实中,有许多选择是由应用所决定的。
如图2所示的簧片继电器提供了更长的开关寿命,并且在严酷的环境条件下具有良好的安全性,例如在具有可燃性气体的环境中。簧片具有缠绕的卷盘,以确保磁性开关的精度。
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图2 在簧片继电器中,开关被玻璃胶囊所包围,或者称为“簧片”,这就保护了器件的电气接触性
 
簧片继电器的主要优点是它的可靠性:在上亿次或者更多次数的操作后它们通常仍然是完好的,并且比其他类型的继电器展示出较低的热EMF特性。因此那些需求高精度的较低级别信号的应用而言,继电器是一个非常好的选择。缺点就是它们的成本较高,并且它们的热开关特性不如其他类型的继电器好。(下文会对热开关进行阐述)。
另一种非常流行的继电器类型是电磁继电器(Electromechanical Relay,EMR,如图3所示)。电磁继电器的优点是,在断开状态,它们可以保持较大的间隙,这使得很多较高的电压可以通过这些器件进行开关。它们还具有较大的接触面积,这意味着它们可以处理更大电流的开关。最后,电磁继电器的价格比簧片继电器要低很多,因为它们的制造过程很简单。它们的缺点是使用寿命较短,并且具有较多的热EMF问题。
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图3 请注意,不像是簧片继电器,电磁继电器没有接触封装,因此是暴露在环境中的
固态开关在最新的测试和测量应用中显示出更多的流行性。从技术上来说,如果你的应用是保持在规格之内的话,固态继电器具有不受限制的寿命;他们并不担心这一点。并且,固态继电器同样没有开关反弹效应。
从另一方面来说,与簧片继电器和电磁继电器相比,固态继电器具有非常窄的带宽。与机械继电器相比,在封闭的操作环境中,他们还具有较高的电阻。并且它们具有电压限制以及漏电问题。但是对于许多应用而言,固态开关在特定的领域非常合适。
 
测试计划
在简单介绍继电器的类型之后,是需要进入到实际测试计划的时间了。这里有一些问题需要回答:
你需要测试的规格是什么?当对某个信号源进行开关或测量的时候,需要处理的最大电压是多大?需要关注的最大电流是多少?频率如何?
对上述问题具有答案之后,我们可以考虑是否需要热开关或者冷开关(并且分别涉及到开关或者负载电流)。基本上,这就意味着继电器是通过施加的功率进行开关(热开关),亦或是先保持断开、然后再施加功率(冷开关)。大部分的继电器对于热开关和冷开关是有差别的。
 
下一步行动
一旦继电器的类型得到确定之后,开关的配置就必须确定。一般会选择单刀单掷开关继电器、多路继电器或者交叉点继电器矩阵。然后,需要控制的测试点数目必须进行考虑。
在较高的频率下,你会加入一些额外的需求,诸如能够承受的最大反射功率,最坏情况下的插入损耗是多少,诸如此类。最后,需要考虑测试系统所处的应用环境。是否会有爆炸性气体?例如,你是否在为应用于机场跑道或者军事基地建立测试仪器?
也许电缆是同样重要的元件,因为你所使用的继电器可以具有非常低的插入损耗和重复性,以及你所需要的使用寿命,但是电缆的体积非常的小,这就是一种错误,或者是质量低下的连接器。那么顿时你就失去了开关模块所具有的优势。在这种情况下,电缆就成为你的测试系统中最薄弱的一环,影响整个测量精度。
如何避免失效
即便你决定了继电器的类型、所需配置的模块,为了避免发生问题,你仍然需要关注可能产生的失效。
首先要考虑的问题是热开关。热开关会降低所有机械继电器的特性,甚至簧片继电器和电磁继电器。继电器的数据表会给你关于你所期望的使用寿命的一些数据——关于低级、中级以及全功率,并且你会看到各种继电器在每个阶段使用寿命的差别。此外,如果系统的运行条件非常接近继电器的极限,你有可能会损坏继电器,甚至有可能会使其着火!

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