發布日期：2022-10-09 點擊率：80
【導讀】自動測試系統中，信號開關是十分常見的模塊，沒有任何一款信號開關系統能夠適用于任何應用，因此對于適當的系統元件的選擇就變得非常重要。那該如何為測試系統挑選合適的開關呢？本文也許能給你答案。
自動測試系統，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的單元，這取決于特定的應用場合，但是在幾乎所有的例子中，信號開關都是很常見的模塊。沒有任何一款信號開關系統能夠適用于任何應用，因此對于適當的系統元件的選擇就變得非常重要。
對于適當的信號開關的選擇要比大多數測試工程師對它的信賴要重要的多。信號開關負責測試單元與激發和響應儀器之間的連接工作（如圖1所示）。恰當的連接確保了系統的可重復性以及精度。因為任何測量的精度都只能與其中最薄弱部分的能力相當，因此較差的開關只能帶來較差的測量精度。
圖1：信號開關負責測試單元與激發和響應儀器之間的連接工作
圖中簡化的模塊圖強調了信號開關在測試系統中作為關鍵元件的重要性，它是測試儀器獲取待測器件資源的門戶。
由于在開關過程中錯誤的決定會影響系統的可靠性和精度，在測試系統設計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用于廣泛應用的PXI測試系統，也應用于當今業界廣泛使用的各種測試平臺中。
首先要考慮的問題
在設計具有信號開關的測試儀時，做出謹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劃以及待測器件的設計進行評估。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，進而確定哪些是必須從認可的供應商那里進行采購的。在選擇過程中關鍵的因素是測量精度的可重復性以及測試系統的可靠性。
當進行到測試系統的開關系統時，這里有許多問題。在開始選擇開關系統時，要從這一基本方面入手：即繼電器類型。能夠應用于多種應用類型的繼電器對于測試系統的精度和長期的使用壽命都是非常重要的。如果某人都發明工作在26GHz的直流電流、并且能夠重復性地處理10A到50mA的電流的話，那么這個人應當非常富有。但是在現實中，有許多選擇是由應用所決定的。
如圖2所示的簧片繼電器提供了更長的開關壽命，并且在嚴酷的環境條件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性氣體的環境中。簧片具有纏繞的卷盤，以確保磁性開關的精度。
圖2：簧片繼電器提供了更長的開關壽命
圖2 在簧片繼電器中，開關被玻璃膠囊所包圍，或者稱為“簧片”，這就保護了器件的電氣接觸性。
簧片繼電器的主要優點是它的可靠性：在上億次或者更多次數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用而言，繼電器是一個非常好的選擇。缺點就是它們的成本較高，并且它們的熱開關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）。電磁繼電器的優點是，在斷開狀態，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行開關。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。最后，電磁繼電器的價格比簧片繼電器要低很多，因為它們的制造過程很簡單。它們的缺點是使用壽命較短，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，因此是暴露在環境中的固態開關在最新的測試和測量應用中顯示出更多的流行性。從技術上來說，如果你的應用是保持在規格之內的話，固態繼電器具有不受限制的壽命；他們并不擔心這一點。并且，固態繼電器同樣沒有開關反彈效應。
從另一方面來說，與簧片繼電器和電磁繼電器相比，固態繼電器具有非常窄的帶寬。與機械繼電器相比，在封閉的操作環境中，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。但是對于許多應用而言，固態開關在特定的領域非常合適。
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測試計劃
在簡單介紹繼電器的類型之后，是需要進入到實際測試計劃的時間了。這里有一些問題需要回答：
你需要測試的規格是什么？當對某個信號源進行開關或測量的時候，需要處理的最大電壓是多大？需要關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或者冷開關（并且分別涉及到開關或者負載電流）。基本上，這就意味著繼電器是通過施加的功率進行開關（熱開關），亦或是先保持斷開、然后再施加功率（冷開關）。大部分的繼電器對于熱開關和冷開關是有差別的。
下一步行動
一旦繼電器的類型得到確定之后，開關的配置就必須確定。一般會選擇單刀單擲開關繼電器、多路繼電器或者交叉點繼電器矩陣。然后，需要控制的測試點數目必須進行考慮。
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，需要考慮測試系統所處的應用環境。是否會有爆炸性氣體？例如，你是否在為應用于機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，因為你所使用的繼電器可以具有非常低的插入損耗和重復性，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，或者是質量低下的連接器。那么頓時你就失去了開關模塊所具有的優勢。在這種情況下，電纜就成為你的測試系統中最薄弱的一環，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，為了避免發生問題，你仍然需要關注可能產生的失效。
首先要考慮的問題是熱開關。熱開關會降低所有機械繼電器的特性，甚至簧片繼電器和電磁繼電器。繼電器的數據表會給你關于你所期望的使用壽命的一些數據——關于低級、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，如果系統的運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！
接下來要關心的問題是，如果電路本身是大電容負載的情況。有一些你可能會需要釋放功率的應用，例如當你改變開關極性的時候。這會產生很大的浪涌電流，并且它們確實會影響你所使用開關的壽命。明顯地，你不能總是避免這種情況，所以你可能會在這個項目中將更高能力的繼電器包括進去。
在開發過程中發生的其他情況主要是代碼錯誤，這可能會使得繼電器關閉較長的時間，或者你偶然性地將原本需要進行冷開關的電路設定為熱開關。人難免會犯錯，所以全面地驗證和檢驗你的代碼是非常重要的。
繼電器規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到你所想像的那樣足夠的高。許多測試和測量開關系統都假設了較低的占空比，因此并沒有考慮連續性的功率。
你可能會想，使用最小的電壓并不是問題。再想想，尤其是高電壓應用，大部分的高電壓繼電器必須具有可靠的最小電壓開關特性。如果你試圖對較低的電壓進行開關，你會得到較高的電阻，因為繼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，因為繼電器的接觸是暴露在環境中的，并且會氧化。（請見下文“潤滑”）
另一項需要特別注意的規格是繼電器的期望壽命。如果你的應用會進行數月甚至數年的測試，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閉時間和維護周期，以使得在開關模塊達到它們的額定壽命的時候進行置換（如圖4所示）。
關于“潤滑”
對于我們中那些已經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用，或者說是通過水銀進行“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用在許多領域。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；對于高速應用而言，水銀能夠消除繼電器的接觸反彈。
當然，因為水銀的劇毒特性，我們很少再見到使用水銀進行潤滑的繼電器。所以我們會使用其他技術。
當今，潤滑涉及到流經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：“機械開關運行過程中需要突破淀積在接觸上的氧化膜，潤滑電流是需流經機械開關的最小電流。氧化膜通常發生在具有較高濕度或化學氣體的環境中。一定量的潤滑電流在系統設計中是非常必要的，使用具有較小的接觸壓力的精細開關可以作為傳感器輸入。如果不能達到這種效果，可能會導致開關保持電氣“斷開”狀態，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性電阻或者一直保持斷開，請仔細查看你所使用的繼電器的規格。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備所處的環境，或者對繼電器加入“潤滑”，以使得其更加適用于測試。
圖4：簧片繼電器的常規損耗
頂部兩個分解的簧片繼電器描述了常規的損耗；最上面的圖中是一個全新“潔凈”的簧片基礎，右上的圖顯示在使用過程中變得有些暗淡，但是仍然在規格之內。左下圖，由于錯誤使用，接觸已經斷開，右下的圖中繼電器已經有凹痕，變得非常不可靠。因此，針對繼電器，我們需要制定詳細的維護計劃。
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是什么損壞了？
假設我們有一個具有損壞繼電器的多點矩陣，它總是保持斷開或者關閉狀態。你會見到許多多點的失效，因為矩陣工作原理的原因（如圖5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際上會影響許多可能的連接。從矩陣的邊緣進行檢測確實是一項挑戰。
首先讓我們考慮開關領域的自我測試。一些限制因素加入到了自我測試中，這同時也增加了成本。國防軍事工業可能對成本的增加能夠接受，但是許多商業企業會阻止成本增加。例如PXI等標準，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。然而我們仍然可以找到解決這一問題的方法。
商業上，有工具可以測試開關路徑。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雜開關系統的所有路徑進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路徑進行基本的檢查。
這對相對復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，因為其簡單性，供應商有可能不會提供解決方案。你就得花費很多時間和精力在開發自動解決方案上，這并不值得。
在任何情況下，你所使用的工具都應當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斷開或者閉合的狀態。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開始超出規格的走線上的繼電器。
確保工具能記錄下測試結果是非常重要的，因為你可以據此分析長期的失效。請記住一點，機械繼電器的耐用性是有一定時間限制的，即便沒有施加應力的時候；當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行趨勢分析，并且思考更換特定的繼電器，因為它們已經接近了其使用壽命。
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。如果某一個繼電器處于關閉的狀態，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。具有斷開和關閉狀態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慎，因為平均來看他們在1mA電流下的測量源頭為5V，這并不足以對繼電器的接觸進行足夠的“潤滑”。應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行測量。
另一種可能性是查看對產品具有內建自我測試的供應商。感謝技術上的進步，有的供應商會通過合理的增加成本來采購具有自我測試功能的產品。一種方法是提供連接到走線路徑的交流電源。電壓降通過模數轉換器進行測量，而配套的軟件會使得路徑閉合，并且驗證電壓降，評定走線路徑是否正確，或者是否超出了規格，并且在進一步行動之前對結果進行記錄。
當然，總會有替代方案的。一種稱為“繼電器計數”的自我測試技術已經在幾年前得以應用。前提是每個繼電器都有特定的使用壽命，進而通過對繼電器保持連接的次數進行計數，以現實它們達到使用壽命的時間。
這種方法聽起來很簡單，但是它是有問題的。首先，繼電器的計數并不考慮開關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載：在小電流負載的情況下繼電器可以運行到額定的次數，但是滿功率負載將會減少開關次數。在一些應用條件下繼電器的使用壽命最少會減少三個數量級。因此繼電器是否還能夠正常工作極大地取決于實際應用。
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