如何正確地為測試系統選擇開關？

　　每種開關系統都會涉及到不同的情況的取舍。有時商業上的需求會不顧技術規范的限制，從而得到一些不很理想的結果。有時甚至會發生某些技術要求之間相互沖突的情況，因此，在實際應用中要非常注意處理這些技術規范之間的關系。
　　
　　我們經常會責備一些創建系統失敗的用戶，主要是由于這些用戶將一個7位半的數字萬用表（DMM）和一個僅僅支持4位半精度的開關系統組合到一起使用。在很多這樣的例子中，用戶從來不將開關系統作為一項可能產生誤差的原因考慮。在其他一些例子中，用戶意識到了可能會出現的誤差，但是他們并不能有效的約束或者控制這個誤差。
　　
　　一旦你意識到了需要根據電氣需求選擇合適的開關模塊的時候，你就會發現一種型號不可能適合所有的應用。你需要在所要實現的需求的基礎上設計合適的開關系統。這也意味著在系統中可能會用到不止一種類型的開關。
　　
　　一個值得引以為戒的例子
　　
　　當我們在和一家大型醫療設備公司合作的時候遭遇了一次慘痛的經歷。這家公司與另外一家系統集成商簽約，讓對方為自己集成一個測試系統，以便對*中使用的電纜的可靠性進行測試。這個測試系統的要求很簡單：只需要測量當幾個電線相互彎曲和扭曲的時候的電阻值。這個系統需要探測的電阻值的變化量是20mΩ。
　　
　　系統集成商選擇一塊PXI的開關卡和一個6位半的PXIDMM，這樣的選擇更多的出于對商業關系的考慮，而不是對技術要求的考慮。從而導致的結果是系統測量顯示的結果在200mΩ的范圍內變化，因此這個系統是不能使用的。
　　
　　集成商并沒有解決這種問題的經驗，并且供應商沒有提供任何。由于終端用戶采用的是一個無用且昂貴的系統，項目被延期交付，集成商也沒有對產生問題的給出合理解釋和解決方案，項目宣告失敗。
　　
　　zui終，這個終端用戶打到我們Signametrics公司的尋求。我們的解釋就是問題的產生主要原因是在測試系統中選擇了不合適的硬件模塊所造成的。我們向他推薦了一個Signametrics公司的SMX4032儀器開關卡和一個SMX20647位半的DMM給這個客戶，并且保證如果不能使用的話我們會全額退款。采用了我們建議的設備后，整個系統的運行情況很好，現在那位客戶也很滿意。
　　
　　為什么會發生這種情況呢？當你認識到在這個情況下存在的許多不定因素的時候，你就會覺得這個問題很容易回答了。這個終端用戶是機械工程師，他很信任集成商的判斷。集成商在軟件和系統整合方面也很熟悉，但是卻沒有測量相關的技術背景。zui初的那位銷售人員也沒有足夠的儀器技術知識，所以不能很好的理解客戶提出的需求。而提供設備的供應商也沒有對他的產品進行有效的。這一系列問題zui終導致產生了前面的結果。
　　
　　可疑的假設
　　
　　當你選擇開關系統的時候，很有可能產生一些對后續應用不利的假設條件。下面就是一些比較普遍的誤區：
　　
　　當要在不同測試設備中進行信號傳送時，開關時一種理想、簡便的儀器。其實并不是這樣的。這種想法會導致令人困惑的結果。
　　
　　矩陣開關可以允許將任何輸入和任何輸出進行連接。如果后續的需求需要改變的話，只需要進行簡單的軟件的改變就可以實現。這個也并不*正確。如果這樣做的話，你會為此付出沉重的代價。
　　
　　如果你認為只要規定開關系統能夠處理的zui大電壓和zui大電流，就可以滿足所有的低于zui大電壓和zui大電流的輸入需求的話，那么你錯了。
　　
　　如果需要測量很低的電壓或電阻的話，只需要通用的開關或者矩陣開關就可以很好的實現。這種想法肯定也是不正確的。開關可以實現說明書上所提到的所有功能。如果說明書上沒有標明的功能，比如溫度偏置電壓，在這種情況下你也不知道得到的結果是什么。
　　
　　如果需要進行精密電阻測量的話，一個四線的線路可以通過開關通道消除所有的誤差。這種想法也是不正確的。這種做法可以減小一些誤差，但不是全部的。
　　
　　矩陣開關VS.多路復用器
　　
　　首先一點是，無論是矩陣還是多路復用器都是一種開關拓撲結構。矩陣開關是很通用的。它能夠將任何輸入和任何輸出進行連接。當后續的應用中需求發生了變化，那么只需要進行軟件的改變就可以實現。并且簡單的外圍電路圖顯得很簡潔。
　　
　　不幸的是，當你希望在每個交叉點上使用一個繼電器來實現大規模的開關矩陣的話，就會需要很多個繼電器。這樣的話物理尺寸和成本就會急劇的上升，甚至于超出控制范圍。
　　
　　一個比較劃算的方法來實現矩陣是采用開關樹的結構。但是這種樹形結構需要每條連接線路都經過個別的繼電器觸點，這樣的話就會明顯的降低系統的性。這種精度的降低會以增加繼電器的泄漏電流和熱補償電壓這兩種形式表現出來。同時，還要考慮將繼電器觸點和矩陣進行焊接所帶來的風險，這是因為這里沒有對多路復用器進行保護，而多路復用器中的所有繼電器在自動打開前都會關閉選定的通道。
　　
　　多路復用器的使用更加簡單。它采用先開后合的順序將n路輸入中的一路轉換到子總線上。然后用一組開關將子總線信號切換到測試卡上。如果包含了很多個輸入，那么利用更多的子總線添加更多的掃描卡來實現。由于繼電器的數量是合理的，因此，總的大小和成本也是可以接受的。
　　
　　某些多路復用器允許將n選一的輸入轉換為4選1的輸出（如圖1）。更多的多路復用器還會提供一些軟件工具來簡化開關卡的控制。當輸入狀態為高阻抗的時候，多路復用器可能會產生一些遺漏問題，但是對于微弱信號基本上不會產生任何問題。
　　
　　通用，高密度的開關
　　
　　很多工程師喜歡選擇高密度的開關，因為它適用于很多的應用。
　　
　　有些問題并不是通過通過閱讀說明書就能明顯看出來的，但是這些問題會導致許多測量功能明顯降低。由于高密度開關具有很高的溫度偏置電壓，因此在電阻溫度檢測（RTD）和熱電偶測量中就會出現明顯的功能退化。與廣泛的被接受想法相反，使用四線電阻測量方法并不能*消除溫度偏置電壓。第二個因素就是由于接近PCB的布線和繼電器，高密度開關會產生更多的噪聲。　　　　
　　總之，高密度開關可以將許多功能壓縮在一個很小的空間里，但是，它并不適用于微弱信號的精密檢測應用中。
　　
　　儀器開關是指通過低的電壓偏差，低的接觸電阻，低噪聲和低交叉耦合來進行切換。如果要測量低于10Ω的電阻，比如在連續性測試中，要求小于1mΩ的電阻值和小于1µV的溫度偏置電壓。這看起來要求有些高，但是只要比這個值高的話，就會明顯的降低系統的精度。
　　
　　高密度通用開關的說明書通常情況下是不以儀器技術形式寫出的。也就是說，制造商們并不認為這種開關適合應用在儀器技術中。
　　
　　為什么說低熱電動勢和低接觸電阻時至關重要的呢？如果你看一下7位半的DMM的說明書的話，你就會注意到它的測量精度可以達到幾微伏。甚至一個比較好的5位半的DMM的精度也會達到50µV。如果將信號通過一個會引入100µV的誤差的開關中，那么你的系統的精度只能是4位半所能達到的精度。
　　
　　
　　表1中說明了當你應用不同質量的開關對不同信號進行測量時，會引入多大的誤差。從中我們可以看出，儀器技術開關所引入的誤差比7位半的DMM所引入的誤差還要小，而典型的高密度開關引入的誤差相當于5位的DMM甚至更糟。
　　
　　進行電阻測量時，電壓要很低，一般要低于2V，這樣做可以控制熱量并且防止過高的電壓打開連接在DUT上的半導體。也就是說，開關系統中的誤差不僅影響低電阻（resistancereading），而會影響所有的resistancereadings。
　　
　　zui有效的看待這些誤差的方式就是它所占有的被測量的百分比數，如圖2中所示。圖中描述了電阻測量中不同開關卡的誤差分布。它是由標準的萬用表對電流和低于2V的電壓進行測量得到的。圖中的鋸齒是由在比較高的電阻范圍內降低測量電流而產生的。　　　　
　　如圖2所示，開關系統會使電阻測量的精度遠低于預期值。但是，我們可以做一些事情來彌補這個不足：
　　
　　很多DMM都有偏置歐姆的功能，這個功能可以部分地校正這個誤差。這個會明顯的增加測量時間和噪聲。
　　
　　一些DMM使用10mA的激勵電流對低電阻值進行測量。這可以使在對低于20Ω電阻時的誤差值減小10-fold，而在此刻的誤差值是zui大的。
　　
　　同普遍知道的相反，使用四線電阻測量方法并不能改變那些誤差。四線測量只能消除在測量過程中由test-leadresistance產生的誤差；而對于減小測量過程中的電壓誤差沒有任何作用。
　　
　　這些電壓誤差是從哪里產生的呢？
　　
　　電磁式繼電器的物理性質所造成的電壓誤差基本上是不可避免的。電磁式繼電器是依靠鎳鐵合金元素工作的，并且當磁場打開的時候就會形成一個回路。鎳鐵合金是焊接在鋪銅的電路板上的。
　　
　　鎳鐵合金和銅之間的連接點會形成一個熱電偶，而這個熱電偶會產生約為40µV/°C的溫度變化。許多高密度和矩陣開關在設計時有不同的側重點，因此在不同的繼電器上的溫度就會有些不同。正因為如此，電壓誤差隨之產生了。
　　
　　高電壓
　　
　　開關系統必須要處理的zui大電壓是什么？電壓等級很明顯。只能允許一些瞬間電壓。如果開關必須處理輸電線上的電壓，那么此時安全設備開始運動。
　　
　　高電流
　　
　　zui大和zui小電流分別是什么？采用電鍍金屬的繼電器轉換高于2A的電流時不能工作在干式接點轉換模式。換句話說，只有當接點上流過的電流符合繼電器的要求時，繼電器才能很好的工作。因此，如果需要轉換較高的電流和很低的電流的時，需要兩種不同的開關來實現。
　　
　　RF
　　
　　分離高頻的和低衰減的需要特殊開關拓撲結構和傳輸線連接。這是非常特殊的。
　　
　　軟件支持
　　
　　開關卡的軟件驅動器是否支持你需要的拓撲機構呢？合適的軟件會使你的工作變得相當簡單。否則的話就會使你的工作變得很復雜。
　　
　　在對開關進行排列的時候，包括以下幾種情況：
　　
　　高密度采用單一的末端。
　　
　　高精度和低噪聲采用微分式。
　　
　　的歐姆測量采用四線式。
　　
　　電路內的歐姆測量采用六線式。
　　
　　一個驅動程序包會隨著一些開關卡一起贈送，這個驅動程序包的作用就是使這些配置很容易開始執行。一臺機載的微控制器就可以快速地進行操作。
　　
　　結論
　　
　　很多開發商提供開關模塊，可以和他們聊聊。這些廠商包括Ascor，PickeringInterfaces，Geotest，南美的EADS，NI以及Signametrics公司。每個廠商都有他們各自的優勢和劣勢。如果你想完整理解他們的產品的特性的話，那么你需要和他們進行詳談。
　　
　　開關系統是測試系統中一個很重要的部分，并且在許多情況下，它是整個測試系統中zui為昂貴的一部分。認真的選擇開關，就可以在系統中得到的測量精度。