【導(dǎo)讀】自動測試系統(tǒng)中，信號開關(guān)是十分常見的模塊，沒有任何一款信號開關(guān)系統(tǒng)能夠適用于任何應(yīng)用，因此對于適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)元件的選擇就變得非常重要。那該如何為測試系統(tǒng)挑選合適的開關(guān)呢？本文也許能給你答案。
自動測試系統(tǒng)，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的單元，這取決于特定的應(yīng)用場合，但是在幾乎所有的例子中，信號開關(guān)都是很常見的模塊。沒有任何一款信號開關(guān)系統(tǒng)能夠適用于任何應(yīng)用，因此對于適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)元件的選擇就變得非常重要。
對于適當(dāng)?shù)男盘栭_關(guān)的選擇要比大多數(shù)測試工程師對它的信賴要重要的多。信號開關(guān)負(fù)責(zé)測試單元與激發(fā)和響應(yīng)儀器之間的連接工作（如圖1所示）。恰當(dāng)?shù)倪B接確保了系統(tǒng)的可重復(fù)性以及精度。因?yàn)槿魏螠y量的精度都只能與其中最薄弱部分的能力相當(dāng)，因此較差的開關(guān)只能帶來較差的測量精度。
圖1：信號開關(guān)負(fù)責(zé)測試單元與激發(fā)和響應(yīng)儀器之間的連接工作
圖中簡化的模塊圖強(qiáng)調(diào)了信號開關(guān)在測試系統(tǒng)中作為關(guān)鍵元件的重要性，它是測試儀器獲取待測器件資源的門戶。
由于在開關(guān)過程中錯誤的決定會影響系統(tǒng)的可靠性和精度，在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入一些事先考慮的因素能夠帶來很多回報。在本文中所提到的問題不僅僅應(yīng)用于廣泛應(yīng)用的PXI測試系統(tǒng)，也應(yīng)用于當(dāng)今業(yè)界廣泛使用的各種測試平臺中。
首先要考慮的問題
在設(shè)計(jì)具有信號開關(guān)的測試儀時，做出謹(jǐn)慎的選擇是非常重要的。首先，要從相對較高的水平上對測試計(jì)劃以及待測器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行評估。然后再視清單中對于測試平臺選擇的可獲取性和資源的可獲取性，進(jìn)而確定哪些是必須從認(rèn)可的供應(yīng)商那里進(jìn)行采購的。在選擇過程中關(guān)鍵的因素是測量精度的可重復(fù)性以及測試系統(tǒng)的可靠性。
當(dāng)進(jìn)行到測試系統(tǒng)的開關(guān)系統(tǒng)時，這里有許多問題。在開始選擇開關(guān)系統(tǒng)時，要從這一基本方面入手：即繼電器類型。能夠應(yīng)用于多種應(yīng)用類型的繼電器對于測試系統(tǒng)的精度和長期的使用壽命都是非常重要的。如果某人都發(fā)明工作在26GHz的直流電流、并且能夠重復(fù)性地處理10A到50mA的電流的話，那么這個人應(yīng)當(dāng)非常富有。但是在現(xiàn)實(shí)中，有許多選擇是由應(yīng)用所決定的。
如圖2所示的簧片繼電器提供了更長的開關(guān)壽命，并且在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性氣體的環(huán)境中。簧片具有纏繞的卷盤，以確保磁性開關(guān)的精度。
圖2：簧片繼電器提供了更長的開關(guān)壽命
圖2 在簧片繼電器中，開關(guān)被玻璃膠囊所包圍，或者稱為“簧片”，這就保護(hù)了器件的電氣接觸性。
簧片繼電器的主要優(yōu)點(diǎn)是它的可靠性：在上億次或者更多次數(shù)的操作后它們通常仍然是完好的，并且比其他類型的繼電器展示出較低的熱EMF特性。因此那些需求高精度的較低級別信號的應(yīng)用而言，繼電器是一個非常好的選擇。缺點(diǎn)就是它們的成本較高，并且它們的熱開關(guān)特性不如其他類型的繼電器好。
另一種非常流行的繼電器類型是電磁繼電器（Electromechanical Relay，EMR，如圖3所示）。電磁繼電器的優(yōu)點(diǎn)是，在斷開狀態(tài)，它們可以保持較大的間隙，這使得很多較高的電壓可以通過這些器件進(jìn)行開關(guān)。它們還具有較大的接觸面積，這意味著它們可以處理更大電流的開關(guān)。最后，電磁繼電器的價格比簧片繼電器要低很多，因?yàn)樗鼈兊闹圃爝^程很簡單。它們的缺點(diǎn)是使用壽命較短，并且具有較多的熱EMF問題。
圖3：電磁繼電器
圖3 請注意，不像是簧片繼電器，電磁繼電器沒有接觸封裝，因此是暴露在環(huán)境中的固態(tài)開關(guān)在最新的測試和測量應(yīng)用中顯示出更多的流行性。從技術(shù)上來說，如果你的應(yīng)用是保持在規(guī)格之內(nèi)的話，固態(tài)繼電器具有不受限制的壽命；他們并不擔(dān)心這一點(diǎn)。并且，固態(tài)繼電器同樣沒有開關(guān)反彈效應(yīng)。
從另一方面來說，與簧片繼電器和電磁繼電器相比，固態(tài)繼電器具有非常窄的帶寬。與機(jī)械繼電器相比，在封閉的操作環(huán)境中，他們還具有較高的電阻。并且它們具有電壓限制以及漏電問題。但是對于許多應(yīng)用而言，固態(tài)開關(guān)在特定的領(lǐng)域非常合適。
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測試計(jì)劃
在簡單介紹繼電器的類型之后，是需要進(jìn)入到實(shí)際測試計(jì)劃的時間了。這里有一些問題需要回答：
你需要測試的規(guī)格是什么？當(dāng)對某個信號源進(jìn)行開關(guān)或測量的時候，需要處理的最大電壓是多大？需要關(guān)注的最大電流是多少？頻率如何？
對上述問題具有答案之后，我們可以考慮是否需要熱開關(guān)或者冷開關(guān)（并且分別涉及到開關(guān)或者負(fù)載電流）?；旧?，這就意味著繼電器是通過施加的功率進(jìn)行開關(guān)（熱開關(guān)），亦或是先保持?jǐn)嚅_、然后再施加功率（冷開關(guān)）。大部分的繼電器對于熱開關(guān)和冷開關(guān)是有差別的。
下一步行動
一旦繼電器的類型得到確定之后，開關(guān)的配置就必須確定。一般會選擇單刀單擲開關(guān)繼電器、多路繼電器或者交叉點(diǎn)繼電器矩陣。然后，需要控制的測試點(diǎn)數(shù)目必須進(jìn)行考慮。
在較高的頻率下，你會加入一些額外的需求，諸如能夠承受的最大反射功率，最壞情況下的插入損耗是多少，諸如此類。最后，需要考慮測試系統(tǒng)所處的應(yīng)用環(huán)境。是否會有爆炸性氣體？例如，你是否在為應(yīng)用于機(jī)場跑道或者軍事基地建立測試儀器？
也許電纜是同樣重要的元件，因?yàn)槟闼褂玫睦^電器可以具有非常低的插入損耗和重復(fù)性，以及你所需要的使用壽命，但是電纜的體積非常的小，這就是一種錯誤，或者是質(zhì)量低下的連接器。那么頓時你就失去了開關(guān)模塊所具有的優(yōu)勢。在這種情況下，電纜就成為你的測試系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)，影響整個測量精度。
如何避免失效
即便你決定了繼電器的類型、所需配置的模塊，為了避免發(fā)生問題，你仍然需要關(guān)注可能產(chǎn)生的失效。
首先要考慮的問題是熱開關(guān)。熱開關(guān)會降低所有機(jī)械繼電器的特性，甚至簧片繼電器和電磁繼電器。繼電器的數(shù)據(jù)表會給你關(guān)于你所期望的使用壽命的一些數(shù)據(jù)——關(guān)于低級、中級以及全功率，并且你會看到各種繼電器在每個階段使用壽命的差別。此外，如果系統(tǒng)的運(yùn)行條件非常接近繼電器的極限，你有可能會損壞繼電器，甚至有可能會使其著火！
接下來要關(guān)心的問題是，如果電路本身是大電容負(fù)載的情況。有一些你可能會需要釋放功率的應(yīng)用，例如當(dāng)你改變開關(guān)極性的時候。這會產(chǎn)生很大的浪涌電流，并且它們確實(shí)會影響你所使用開關(guān)的壽命。明顯地，你不能總是避免這種情況，所以你可能會在這個項(xiàng)目中將更高能力的繼電器包括進(jìn)去。
在開發(fā)過程中發(fā)生的其他情況主要是代碼錯誤，這可能會使得繼電器關(guān)閉較長的時間，或者你偶然性地將原本需要進(jìn)行冷開關(guān)的電路設(shè)定為熱開關(guān)。人難免會犯錯，所以全面地驗(yàn)證和檢驗(yàn)?zāi)愕拇a是非常重要的。
繼電器規(guī)格可能會被忽視的另一個地方是額定功率。繼電器的額定功率并不總是能達(dá)到你所想像的那樣足夠的高。許多測試和測量開關(guān)系統(tǒng)都假設(shè)了較低的占空比，因此并沒有考慮連續(xù)性的功率。
你可能會想，使用最小的電壓并不是問題。再想想，尤其是高電壓應(yīng)用，大部分的高電壓繼電器必須具有可靠的最小電壓開關(guān)特性。如果你試圖對較低的電壓進(jìn)行開關(guān)，你會得到較高的電阻，因?yàn)槔^電器的接觸并沒有充分“潤滑”。潤滑在電磁繼電器中是非常重要的，因?yàn)槔^電器的接觸是暴露在環(huán)境中的，并且會氧化。（請見下文“潤滑”）
另一項(xiàng)需要特別注意的規(guī)格是繼電器的期望壽命。如果你的應(yīng)用會進(jìn)行數(shù)月甚至數(shù)年的測試，那么你需要采用具有最大額定壽命的繼電器。否則，在你的測試周期中加入關(guān)閉時間和維護(hù)周期，以使得在開關(guān)模塊達(dá)到它們的額定壽命的時候進(jìn)行置換（如圖4所示）。
關(guān)于“潤滑”
對于我們中那些已經(jīng)測試了很長時間的方式而言，“潤滑”這種方式最初是指繼電器的接觸是浸沒在水銀中的應(yīng)用，或者說是通過水銀進(jìn)行“潤滑”。這種繼電器通過使用水銀減小接觸電阻和壓降的方法應(yīng)用在許多領(lǐng)域。對于低電流信號而言，水銀能夠阻止表面沾污，表面沾污會使得繼電器的接觸變差；對于高速應(yīng)用而言，水銀能夠消除繼電器的接觸反彈。
當(dāng)然，因?yàn)樗y的劇毒特性，我們很少再見到使用水銀進(jìn)行潤滑的繼電器。所以我們會使用其他技術(shù)。
當(dāng)今，潤滑涉及到流經(jīng)繼電器接觸的最小電流。維基百科對潤滑電流提供了良好的定義：“機(jī)械開關(guān)運(yùn)行過程中需要突破淀積在接觸上的氧化膜，潤滑電流是需流經(jīng)機(jī)械開關(guān)的最小電流。氧化膜通常發(fā)生在具有較高濕度或化學(xué)氣體的環(huán)境中。一定量的潤滑電流在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常必要的，使用具有較小的接觸壓力的精細(xì)開關(guān)可以作為傳感器輸入。如果不能達(dá)到這種效果，可能會導(dǎo)致開關(guān)保持電氣“斷開”狀態(tài)，或者由于接觸氧化的原因會引入比所允許的更高的電阻”。
這就意味著如果你建立的測試展示了較低阻值的隨機(jī)性電阻或者一直保持?jǐn)嚅_，請仔細(xì)查看你所使用的繼電器的規(guī)格。很有可能你的電路并沒有足夠大的電流來穿通接觸面的氧化層。這就意味著你需要在測試中改變繼電器的類型，更好的控制自動測試設(shè)備所處的環(huán)境，或者對繼電器加入“潤滑”，以使得其更加適用于測試。
圖4：簧片繼電器的常規(guī)損耗
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是什么損壞了？
假設(shè)我們有一個具有損壞繼電器的多點(diǎn)矩陣，它總是保持?jǐn)嚅_或者關(guān)閉狀態(tài)。你會見到許多多點(diǎn)的失效，因?yàn)榫仃嚬ぷ髟淼脑颍ㄈ鐖D5所示）。問題在于，要在8000個繼電器中找到失效的那個。
圖5：矩陣工作原理
圖5 矩陣中一個壞的繼電器實(shí)際上會影響許多可能的連接。從矩陣的邊緣進(jìn)行檢測確實(shí)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
首先讓我們考慮開關(guān)領(lǐng)域的自我測試。一些限制因素加入到了自我測試中，這同時也增加了成本。國防軍事工業(yè)可能對成本的增加能夠接受，但是許多商業(yè)企業(yè)會阻止成本增加。例如PXI等標(biāo)準(zhǔn)，你會遇到的問題還有，較小的印制電路板并不允許加入自我測試所需要的較大的空間。然而我們?nèi)匀豢梢哉业浇鉀Q這一問題的方法。
商業(yè)上，有工具可以測試開關(guān)路徑。在許多案例中的主要方法是通過連接到DMM的外接工具來對沿著復(fù)雜開關(guān)系統(tǒng)的所有路徑進(jìn)行基本的開路和短路檢查。外接工具可以連接到前置的面板，并且可以對繼電器矩陣或多路繼電器的所有開關(guān)路徑進(jìn)行基本的檢查。
這對相對復(fù)雜的模塊是有作用的。如果電路板上只有20個或者30個繼電器，因?yàn)槠浜唵涡?，供?yīng)商有可能不會提供解決方案。你就得花費(fèi)很多時間和精力在開發(fā)自動解決方案上，這并不值得。
在任何情況下，你所使用的工具都應(yīng)當(dāng)鑒別出失效的繼電器。上文中提到的明顯失效的繼電器會一直保持?jǐn)嚅_或者閉合的狀態(tài)。但是你還要考慮電路板的布線連接情況。再一次的，DMM可以測量走線路徑的電阻，并且查找出那些已經(jīng)開始超出規(guī)格的走線上的繼電器。
確保工具能記錄下測試結(jié)果是非常重要的，因?yàn)槟憧梢該?jù)此分析長期的失效。請記住一點(diǎn)，機(jī)械繼電器的耐用性是有一定時間限制的，即便沒有施加應(yīng)力的時候；當(dāng)它們接近使用壽命時，其電阻會變得更高。你可以查看這些日志文件來進(jìn)行趨勢分析，并且思考更換特定的繼電器，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)接近了其使用壽命。
對于如圖6所示的自我配置而言，如果我們關(guān)閉某一繼電器，在沿X軸方向和Y軸方向分別得到47Ω的電阻。因此良好的連接將會在DMM上展示94Ω電阻的讀數(shù)。如果某一個繼電器處于關(guān)閉的狀態(tài)，那么測量將會超出限度。如果繼電器矩陣中某處的另一個繼電器也是斷開的，你會在47Ω的電阻上得到一個平行的路徑，并且這會改變測量值。具有斷開和關(guān)閉狀態(tài)的多次測量之間的差異能夠找出失效的繼電器。
圖6：使用自測試固定裝置配置基本的4x8繼電器矩陣
圖6 使用自測試固定裝置配置基本的4x8繼電器矩陣需要一系列的高精度47Ω電阻。每個電阻的一端連接到X軸或者Y軸，另一端與DMM的另一個47Ω的X軸電阻或者Y軸電阻進(jìn)行平行地連接。
正如前文所提到的，特定的高壓繼電器會需要較高的電壓對接觸進(jìn)行“潤滑”。所以如果使用DMM的話，請對這種自我測試類型保持謹(jǐn)慎，因?yàn)槠骄鶃砜此麄冊?mA電流下的測量源頭為5V，這并不足以對繼電器的接觸進(jìn)行足夠的“潤滑”。應(yīng)用中所使用的任何高壓繼電器都需要施加高壓的源頭，并且需要對繼電器的電壓降進(jìn)行測量。
另一種可能性是查看對產(chǎn)品具有內(nèi)建自我測試的供應(yīng)商。感謝技術(shù)上的進(jìn)步，有的供應(yīng)商會通過合理的增加成本來采購具有自我測試功能的產(chǎn)品。一種方法是提供連接到走線路徑的交流電源。電壓降通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量，而配套的軟件會使得路徑閉合，并且驗(yàn)證電壓降，評定走線路徑是否正確，或者是否超出了規(guī)格，并且在進(jìn)一步行動之前對結(jié)果進(jìn)行記錄。
當(dāng)然，總會有替代方案的。一種稱為“繼電器計(jì)數(shù)”的自我測試技術(shù)已經(jīng)在幾年前得以應(yīng)用。前提是每個繼電器都有特定的使用壽命，進(jìn)而通過對繼電器保持連接的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以現(xiàn)實(shí)它們達(dá)到使用壽命的時間。
這種方法聽起來很簡單，但是它是有問題的。首先，繼電器的計(jì)數(shù)并不考慮開關(guān)電流對繼電器壽命的影響。繼電器的使用壽命取決于通過接觸的負(fù)載：在小電流負(fù)載的情況下繼電器可以運(yùn)行到額定的次數(shù)，但是滿功率負(fù)載將會減少開關(guān)次數(shù)。在一些應(yīng)用條件下繼電器的使用壽命最少會減少三個數(shù)量級。因此繼電器是否還能夠正常工作極大地取決于實(shí)際應(yīng)用。
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