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论自动化测试系统中的信号开关

2018-10-19 17:37| 发布者: Sophia| 查看: 66| 评论: 0|原作者: Sophia

摘要: 测试系统-开关基本内容 1、 基本测试系统为了有效测试设备,组件或子组件,需要预先提供输入条件。测试一般先为测试设备提供激励,然后检查被测设备的输出,如图1-1:图1-1 简单的测试系统几乎所有的激励和响应信号 ...
测试系统-开关基本内容

1、 基本测试系统

为了有效测试设备,组件或子组件,需要预先提供输入条件。测试一般先为测试设备提供激励,然后检查被测设备的输出,如图1-1

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图1-1 简单的测试系统

几乎所有的激励和响应信号都是电性的,但是他们也可以使不带电的,比如热量,光或者动作。不带电信号通常会转化,形成电信号,从而允许控制器控制和数据分析。电子信号由以下的测试仪器测量或产生:



  • 测量设备:示波器,电压计,频率计数器,频谱分析仪,波形分析仪。
  • 激励源:电压源,电流源,矢量发生器,脉冲发生器,或者频率同步仪。
  • 激励源/测量设备:欧姆计,电容计,网络分析仪,特征分析仪。


测量和激励源功能可以集成在同一个仪器中,甚至可以在相同的线路中,例如欧姆计就用了两条引线,分别测量电压和提供电流。

在基本测试系统中,源和测量仪器通过直接接口接线连接到被测单元(UUT)。较好的测试系统通过开关进行两者连接。采用开关系统的目的是:

  • 在一个测试段中测试几个UUT
  • 测试一个UUT的多个点
  • 连接多个测试和源仪器

图1-2到1-4中,有多种配置。多个基本配置的组合可以行程复杂的系统。在大多数系统中,最好直接测量源仪器的输出。这又需要更多的额外开关。


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图1-2 多测试点

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图1-3 多仪器

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图1-4 多UUT
1.1 自动测试系统原理

自动测试系统使用内置的仪器功能运行测试程序,输出数据结果,如图1-5所示。通常,开关功能集成在信号源或者测量的仪器中,比如示波器。

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图1-5 测量设备控制

随着自动测试系统体积的增加以及功能越来越强大,计算机开始被集成在系统中,负责运行程序,执行测试。自动测试系统的优点包括:

  • 操作人员可以实时控制测试执行,操作人员可以根据之前的测试结果决定当前测试参数。
  • 系统的已知问题得到纠正。
  • 由于操作人员在整个测试执行过程中,不需要手动干预,所以产生错误的机会减少。
  • 由于测试结果被编译为数据库,这就允许进行一些复杂的计算,从而更有效的分析测试结果。
  • 被测单元的吞吐量较高。

在自动运行测试系统中,开关功能必须自动化。将系统中扫描仪,矩阵,可编程开关,多路复用器或开关网络均可用。


1.2 自动测试系统的设计

自动测试系统的开关系统设计要求了解需要切换的输入/输出开关和执行测试的程序。由于测试要求的不断变化,自动测试系统通常设计灵活,可以处理各种信号。

设计测试系统的第一步是做测试需求文档(TRD),其中说明了系统配置和切换需求。鉴于多功能性至关重要,所以在设计切换功能时,困难度比较大。为了简化切换系统的设计,可以单独或组合使用一下的切换拓扑架构之一。如图1-6至1-8所示。

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图1-6 开关结构
1.3 基本开关拓扑结构

该基本开关拓扑将一个输入连接到一个输出。 它通常用于控制应用中:

  • 将UUT与一个负载相连
  • 将电源或控制信号连接到与其他源测量接口电路分离的UUT
  • 启动系统的独立元素。 例如,具有非电输入或输出的装置,例如电动机或换能器。

MTS的GX6315提供3 x 15独立单刀双掷(SPDT)继电器,可以在基本的开关结构中用于电源切换。GX6338提供3 x 38独立单刀单掷(SPST)继电器,用于基本开关结构中低电流切换应用。


1.4 多路复用或扫描拓扑结构

多路复用或者扫描拓扑结构用于将一个仪器与多个UUT连接,或者将多个仪器与一个UUT连接。连接方式可以是顺序模式(图1-7),也可以是无序模式(图1-8)。此外,多路服用允许多个仪器同时连接。例如,可以将UUT的输出同时连接到AC电压计和频率计。

1:X配置有时用于将一台源设备与多个测试仪器点连接,或者与多个测试仪器连接。X:1配置用于将多个源设备与单个仪器的一个点或者多个点连接。通过同步源和测试连接,1:X和X:1可以共同使用。

如图1-7所示,扫描结构相当于旋转选通开关。使用这种类型的拓扑机构,有两个常见的版本。

  • Make-Before-Break,在断开现有连接前,建立新的连接。
  • Break-Before-Make,在建立新的连接前,断开现有连接。

这两种类型的任何一种都可以在测试系统中使用。除非另有说明,否则认为线路出于非短路状态。

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图1-7 扫描开关结构

Marvin Test Solution的GX6264板卡是一个多路复用/扫描变卡,可以用于扫描结构。所有产品均为Break-Before-Make版本,尽管可以使用不同的扫描组同时切换多个点。

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图1-8 多路复用开关结构
1.5 矩阵开关结构

矩阵开关机构连接多个输入和多个输出。这种结构的开关通常用于连接多个仪器和一个UUT上的多个点。虽然矩阵开关结构最为复杂,但是相比来说,它的功能也是最多的。图1-9展示的简单的开关结构。


矩阵开关结构是开关结构中最为灵活的。但是,以下的几点在使用矩阵开关时必须要安排妥善。

  • 如果频率高于10MHz,短线(未使用继电器)可能会产生电气噪声。在使用矩阵开关来切换高频信号时,请使用具有短截线路较短的“清洁”开关板卡。例如,图2-9中左下方的开关拥有最干净的路径,因为它具有最短的线路。依次类推,右上角的开关具有“最嘈杂”的路径。
  • 开关矩阵提供的灵活性意味着任何点都可以连接到任何其他点。 开发控制软件时应特别注意防止低阻抗源(如电源)之间的短路。 防止这种短路的典型方法是如果这些信号仅用于测量目的,则在电源和开关矩阵之间使用串联的电阻器。
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图1-9 矩阵开关结构

Marvin Test Solution的GX6616是矩阵开关结构,拥有6组 2*16个继电器,可以踢可以提供的配置可以从2×96到6×16(6点中的任何一个可以连接到16点中的任何一个点)。


1.6 开关仪器标准

当信号经过连接线缆或者开关交叉点时,可能会产生一些错误。所以选择合适的开关元素和拓扑结构对于保护信号完整性来说十分重要。

目前,比较新的开关元素已经十分接近于理想开关了。理想开关有以下特点:

  • 断开时,呈现开路状态(零电容,无限大电阻);
  • 闭合时,呈现短路状态(零电阻);
  • 与其他的开关完全隔离;
  • 通道之间完全隔离

在高准确度和低电平信号的应用中,对上述的要求尤其迫切。在许多的系统中,选择开关的种类,往往要考虑到技术指标和经济情况的中和。


在选择开关仪器时,以下参考因素很重要:

  • 成本
  • 扩展成本/板卡增加成本
  • 可用的开关架构
  • 矩阵开关的节点最大/最小数
  • 开关元素的多样性
  • 电气指标
  • 易于更换


2、 开关的组成
2.1 类型

一般在描述开关的时候,采用的三个条件:

  • 极性(比如,单极性,双极性/三极性)
  • 单刀或者双刀
  • 连接组成

术语“极性”是指给定开关中包含的公共端子的数量。如图2-1所示,A.SPST为一个单极性的开路开关。术语”掷“是开关可以连接的信号路径和连接线的数量。B.SPSD是一个单极性双路的开关。两个路径分别为常开(NO)和常关(NC)。由开关决定,只能有一条线路闭合。

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图2-1单极性原理图

图2-2是一个双极性,两掷的开关(DPDT)。两个极性可以同时更改线路。

form和contact form是继电器的术语,用来描述继电器的连接配置。Form A通常的含义是单掷,常开的开关,Form B通常的含义是单掷,常关的开关;Form C是指双掷开关。双掷开关的另一种称呼是Change Over(CO)。

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图2-2 DPDT原理图
2.2  开关元素

当开关闭合时,开关会根据自身的特性不同而有差异。所以在应用时,选择开关的元素就尤其重要了。

图2-3描述的是四种具有代表性的电磁开关元素原理图。由于继电器的优秀设计,继电器开关一般会在合理的价格下,功能达到最优。

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图2-3 开关元素

上述的四种开关尤其各自的优缺点,对于自动测试的应用,继电器开关具有最好的性能。FET开关是上述四种中切换速度最快的,但是它具有一个很高的阻抗,同时切换信号的电平也有要求。对于高电流,高电压开关来说,Triac开关结构是一个好的选择,但是这种需求很少出现在ATE系统中。Solenoid开关结构同样有相同的问题。

我们接下来会针对Relay为大家进行介绍:


2.3 Relay类型

有很多Relay类型,不过只有一小部分可以应用在ATE系统中,比较常用的是类型有电磁继电器和舌簧继电器。表2-1为这两种继电器的重要参数:

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表2-1 继电器组成,标准参数

MTS的开关产品包含这两种继电器,可以为ATE应用提供最优的配置。

(1) 电磁继电器(Electromechanical Relay)

所有的电磁继电器均具有穿过中间(形成电磁体)的杆的线圈,电枢和一组或多组触点。当线圈使能后,电磁体会吸引衔铁的一端,从而吸引触电连接。

图2-4展示的就是这样的一个过程:

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图2-4 电磁继电器


线圈必须行成足够的磁力场才能移动继电器。需要以下的参数满足要求:

  • 电枢的弹簧张力
  • 触点直接的空间
  • 电枢机构的质量

(2) 干簧继电器(Dry Reed Relays)

干簧继电器也是通过使能线圈来进行工作的。不过,在干簧继电器的结构下,线圈包围在开关外侧,通过感应磁场闭合开关。图2-5对这种结构进行了简单的描述。

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图2-5 干簧继电器

开关是由两个磁铁薄片(称为舌簧),每个薄片的一端均含有一个触点。引线连接到簧片的外端,整个组件被密封在密封的玻璃管中。 管将导线固定到位。见下图。

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图2-6 干簧继电器开关

多数的继电器被制作成常开的形式。有一些会制作为常关。常关的开关有两种方法可以实现:第一种方法是将开关两个触点连在一块。第二种方法是通过一个小的永恒磁铁将两个常开的触电连载一块。此时,线圈的磁场与磁铁相反,从而实现触电断开。

为了降低特性阻抗和舌簧继电器的漏电流,有时会将静电场加载开关和线圈之间。该屏蔽层通常是接地到电路中的低阻抗点的金属箔。通常连接点(低阻抗)是信号低和屏蔽。此外,电磁屏蔽层也可以加在线圈的周围。这个特殊的屏蔽层可以将有线圈产生的磁场与外部的组件相隔离。


2.4 最大继电器电压

最大的继电器电压是指继电器能够可靠切换的电压:

  • 触点之间的间隙(间距)
  • 继电器内部气体的电介质

如果两个触点之间的间隙太小,则会产生电弧。 当高压开关时,电弧是常见的,但如果继电器具有适当的间隙,则电弧放电将会降低。

另外,环境也会影响电弧的程度。潮湿或高度氧化的环境促进拱形,干燥的气候减少电弧。开放式继电器允许环境空气进入开关区域。而密封继电器包含来自继电器制造商的受控内部环境。机械式继电器为开放或密封单元。干簧继电器由于其结构,始终密封。

当继电器触点两端的电压超过继电器指定的最大开关电压时,通常会出现电弧。 一旦电压降到零,通常会降低交流信号引起的电弧。


2.5 最大继电器电流

典型的继电器规格将最大电流分解为最大carry电流和最大switched电流。

Carry电流的含义是之前已处于关闭情况下触电之间可通过的电流。开关引脚间的交叉路径会限制carry电流。

Switched电流是指可以由继电器打断的最大电流。接触电镀和材料是switch电流规格的主要因素。 如果高电流在触点上不断地切换,则热量升高并且触点上的电弧以快速的速度降低它们。 在极端情况下,触点可能会焊接在一起。

如果要达到继电器的规定寿命,继电器的额定功率也必须符合电流和电压值。


2.6 最大继电器功率


在正常的使用寿命时,继电器的最大的功率与温升有关。过功率状况极大地缩短了继电器寿命。信号处理相关继电器的额定功率额定值为伏安(VA)或瓦特。额定功率额定值的继电器是直流继电器。 如果继电器是直流型,则必须使用继电器的电源来对继电器的功率处理能力进行评估。交流型继电器设计用于处理交流负载,通常额定电压为伏特。 当功率额定值为VA时,功率因数不是考虑因素,电压切换时间安培开关或运行是使用的计算。


2.7 接触电势(Contact Potential)

当两个异种的金属相接处时,会产生EMF。由于继电器的触电是镀合金,所以即便是两个较相似的触点,两个也是不同的。由于合金组成和金属的加工以及通过电镀到合金结的热EMF,存在差异。

此外,当沿着开关路径的热量生成时,EMF就会产生。不同引线之间的热流差异导致热EMF。热EMF的第二个来源是线圈线径的差异。 在簧片继电器中,这些辐射热量会导致开关温度变化。

在测试系统中,这些热电偶对测量系统增加了电压误差。 取决于继电器,该误差可以在小于微伏至几十毫伏的范围内。 如果误差对于采样或测量读数是重要的,则必须知道并补偿热EMF。

表2-2给出了普通连接材料的热电势。 清洁的铜连接是非常重要的,因为清洁的Cu-Cu结的电位为<0.2微伏/℃,Cu-CuO(氧化铜)结的电位为1000微伏/℃。

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表2-2典型热电势
2.8 操作速度

可以将触点循环以进行可靠操作的速度称为操作速度。 它受到启动和释放时间的限制。 启动时间是当线圈施加电力时,直到触点稳定。 释放时间与启动时间相反。 从功率从线圈移除的时间测量到触点再次稳定(包括反弹)。

通常为继电器指定低于开关时间允许的工作频率或重复频率。 这是为了限制温度上升并允许接触沉降。 在这两者中,温度上升更为关键。 当继电器在其额定功率或额定电压附近使用时,必须调整占空比以允许冷却时间。 较低的工作频率或改变的占空比可实现较冷的温度。


2.9 接触电阻与寿命

接触电阻是指触点闭合时的阻值。该参数通常使用标称电压施加到线圈的四线配置来测量。除非另有规定,接触电阻规格适用于所有情况。

对于干性开关,接触电阻与接触面积成反比,由于干簧继电器具有更小的接触面积,电磁继电器相较于干簧继电器具有更小接触阻抗。

使用寿命或继电器预期执行的操作次数通常受到机械操作和特定负载下的操作次数的限制,当闭合触电的电阻到达指定值时,该继电器即到了使用寿命。如果没有接触电阻阻值阈值规格,那么继电器负载规格下的寿命是无意义的。 干性开关通常具有小于1或2Ω的接触电阻的寿命。

继电器可能在几种情况下失效,比如机械(致动)故障和接触故障。簧片开关中的线圈断线,玻璃密封断裂或簧片疲劳,或机电继电器中的电枢机构故障可能导致机械故障。

当过热或高电流或电压脉冲导致触点焊接时,也可能会发生接触故障。 触点上的氧化,过度烧焦和点蚀或绝缘沉积可能导致开路。因为实际的接触寿命很重要,因此寻找和选择“良好”的接触材料已经付出了很大的努力。 传统上,金,银和钯具有良好的导电性和较低的氧化敏感性。 越来越多地将铑和钌镀在更传统的接触材料上以增加接触寿命。 铑的结构是立方体,比早期接触电镀更稳定。 为了获得更大的稳定性,使用钌的六方结构。


2.10 继电器线圈功率

继电器线圈功率是启动继电器所需的功率(瓦特)功率。 磁簧开关或机电继电器的电枢需要设置放大转换产品来驱动继电器。 许多匝的细线被用于将必要的电流和功率保持在最小值。

放大器转矩要求和线圈电阻也决定了拉入,保持和压降电压。 图2-7给出了典型的5V直流继电器。 通常需要更多的功率来启动继电器,而不是保持给定的状态。 一旦开关闭合,磁路就具有较低的磁阻。 较低的磁阻意味着较弱的磁场可以使开关闭合。

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图2-7线圈电压

与任何电线一样,线圈的电阻随温度变化。这样会影响插入电压,如图2-8所示。

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图2-8温度与插入电压

由于继电器本身就是一个线圈,所以继电器会产生一定的电感。就电感而言,由于V=L(di/dt),线圈中的电流不会瞬间变化,所以也就不会产生过大的电压尖峰。通常情况下,线圈的正电压端使用二极管与阴极连接。继电器驱动器被去除时,抑制或“反向”二极管将导通线圈电流。见图2-9。

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图2-9抑制二极管
2.11 绝缘电阻

绝缘电阻(IR)用于测试继电器两端的阻值。可由绝缘体材料提供广泛的绝缘电阻(10*105-10*1014Ω)。限制IR的主要因素是基体泄漏和表面泄漏。 当绝缘材料被水侵染后,往往会出现基体泄漏的情况。表面渗漏是穿过材料的表面,通常是由于诸如盐或助焊剂和/或手指的其它化学物质的污染。

一些绝缘子的性质随着施加的电压而变化,因此在评估IR时,施加正常工作电压及以上电压幅值是十分重要的。


2.12 继电器电容

继电器中所有元件都具有固有电容,该电容由继电器的材料和物理配置所决定。开关与线圈的接触电容一般为0.2 - 15pF。该电容可以将来自触点的噪声或其他信号耦合到控制线,反之亦然。如果由相同的线圈电源驱动,噪声也可以通过其接触线圈电容耦合到不同的开关。 开关和线圈之间的静电屏蔽可以将噪音降低多达110倍。此外,开放触点之间还存在电容。 这种类型的电容取决于开关的接触面积和间隙,通常小于2pF。由于继电器的物理特性,这些固有电容是限制继电器开关信号频率的一个因素。



2.13        信号频率

为了获得更高的开关速率和良好的RF性能,使用专门的触点和继电器架构。 这些类型的继电器可能使用大于50 MHz的工作频率。

接触电容和接触电路损耗是确定继电器适用于高频应用的良好因素。 此外,印刷电路板(PCB)的设计也有助于RF继电器的选择。 斜面蚀刻的信号路径和接地保护器集成到较新的开关矩阵PCB设计中。


3、 开关系统拓扑结构

在标准的测试系统中,通常存在三种开关结构之一:开关,扫描/多路服用以及矩阵。下面我们会对这些多种多样的开关结构进行介绍,不同结构的开关,为测试系统增加了灵活性。


3.1        开关拓扑结构

如框图形式所示,基本开关拓扑将一个输入连接到一个输出。该输入可以是一个或多个信号线,通过形式A,B或C开关元件连接。 每个信号线都需要一个极点,所有极点一起控制。图3-1显示了使用每个交换机拓扑的示例。

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图3-1 开关结构(Form A,B,C)

此开关拓扑的典型应用是电源和控制应用。 因为每个开关是独立的和隔离的,所以可以同时关闭多个开关。硬件方面通常可以提供A,B,C三种形式的开关结构,这为客户提供了极大的灵活性,同时可以同时控制多个开关。如果测试系统设计人员愿意做外部接线,那么可以从基本的交换机拓扑构建任何拓扑结构。Geotest的GX6315可用于执行所有切换功能,如图3-1所示。


3.2  扫描/多路复用器

大多数扫描和多路拓扑将一个输入连接到“n”个输出或“n”个输入到一个输出。 这些是小型系统信号切换中最常用的拓扑。 最简单的扫描器是一个Form C触点,如图3-2A所示,将电源切换到两个负载中的任一个。 使用两个Form A触点实现此功能可以提供简单的多路复用器。 电源可以连接到一个或两个负载,如图2-20B所示。

相较于扫描结构,多路复用的主要优势是:

  • 多路复用允许全开路状态
  • 多路复用可以任意操作,扫描只能是顺序执行。
  • 多路复用可以同时连接多路,扫描不可以。
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图3-2 基本的扫描/多路复用

由于多路复用的灵活性,使得其在应用中十分常见。此外,多路服用可以以任何顺序执行。扫描结构通常用于没有计算机的独立系统中。在设计多路测试系统时,设计人员需考虑在软件错误或硬件故障(卡住继电器)情况下系统同时连接的所出现的问题。 多种策略可用于处理此问题,如重新配置切换,添加保护电路或在测试程序中添加软件检查。在测试系统中使用多路复用和扫描将一个仪器连接到多个UUT或多个仪器到一个UUT。 样如图3-3和3-4所示。 图3-3显示了与UUT的高低连接的2极复用。 也可用作1:N和N:1块。 图3-4显示了具有1极开关的接地参考系统。 使用两个附加的多路复用器将相同的仪器连接到第二个UUT。

Geotest的GX6264,GX6315和GX6338可用于图3-2,3-3和3-4所示的示例。 GX6264提供差分(2线)和单端(单线)的可编程配置。

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图3-3 双极性多路复用

对于多路复用开关,A型触点几乎完全使用(图3-1)。 一极和双极配置是常见的,在特殊情况下使用更多的极(即防护)。可以通过同步控制的单极多路复用器构建等效于多极配置的配置。 然而,正确的屏蔽,防护和噪声消除通常更加困难。 也可以同步控制以实现1:N / N:l交换对。


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图3-4 单极性多路复用
3.3        矩阵结构

矩阵拓扑用于将任何输入连接到任何输出。 可以通过一个输入驱动许多输出或者一个输出与多个输入连接。描述矩阵大小的最常见的术语是行和列。如图3-5所示,任何行都可以通过在行和列的交叉点(交叉点)处关闭继电器连接到任何列。 连接的这种灵活性是矩阵切换系统的主要优点。 矩阵拓扑将多个仪器连接到UUT上的多个点,或将多个仪器连接到多个UUT。 源和测量仪器之间的直接连接也是可能的。

图3-5展示了一个实现3极性 A型交流的交叉点,用于高,低和保护信号的切换。 当将仪器和UUT连接到矩阵时,这种结构允许最大的灵活性。 在设计矩阵时,每个交叉点的极数与仪器如何连接到矩阵有关。 单极矩阵切换是最常见的类型。

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图3-5 矩阵架构

在开关矩阵中,可以使用两种连接方式,如图3-6所示。 公共地面系统用于需要低阻抗回波和同轴电缆的高频系统。 开关式低配置用于需要浮动测量的低频或直流应用中。

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图3-6 单极性矩阵

两极矩阵切换用于差分(平衡)系统或进行4线测量。图3-7中示出了一个示例,其中组合的源/测量仪器(DMM)使用矩阵的两个2极列进行4线测量。两极配置也用于保护源或测量连接,包括高阻抗或低电平信号,如图3-7B所示。由于保护隔离来自相邻电路的敏感线路,所以用于保护系统的硬件的构造和接线与通用2线矩阵中使用的不同。

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图3-7 双极性矩阵

对于敏感测量应用,3极矩阵切换方法比较有优势。 3极方法将高信号和低信号与其他信号隔离开来。 这是通过不在电路低或地电位的附加屏蔽来实现的。3极配置也用于使用驱动屏蔽(保护)隔离源/测量信号对。

开关矩阵可以用作较大矩阵的构建块,通过它们沿着列或行相互连接。 矩阵块可以连接形成一个长的窄矩阵。 当需要大量仪器和UUT连接时,这是有用的,但每个测试步骤仅使用几个信号。

如以下几点所示,矩阵拓扑是最有效的方法,因为它提供:

  • 成本和硬件设备的减少
  • 编程方便
  • 可通过软件控制,灵活性高
  • 最大的测试灵活性,运行不同的设备或不同的测试程序

同时,矩阵开关也有自身的局限性:

  • 安全性,将危险信号限制在某些路径上是很困难的。
  • 路径间的串扰增加。 分流负载和阻抗匹配限制带宽。
  • 费用增加,每个可能信号路径的开关额外费用。
  • 可靠性降低。 更多的开关和错误连接的可能性增加。

所以在选择矩阵开关时,要考虑自身的需求,尽量购买配合应用的规格。




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