測試系統(tǒng)的開關(guān)構(gòu)造

關(guān)鍵字：測試系統(tǒng) 開關(guān)構(gòu)造

測試系統(tǒng)往往用少量的儀器測量大量信號。這種設(shè)計方法制約成本，而且限制測試吞吐量。相反，如果系統(tǒng)具有測試的所有信號和足夠的儀器，雖然能較快地提高吞吐量，但通常是成本高而不合算。

低成本測試系統(tǒng)的傳統(tǒng)辦法是在幾個信號間開關(guān)轉(zhuǎn)換一個數(shù)字電壓表(DVM)。若只包含兩個信號，則連接DVM用一個單刀雙擲開關(guān)(SPDT)，單刀連接其兩個信號之一。若必須開關(guān)轉(zhuǎn)換信號的高和低端，則雙刀雙擲(DPDT)配置是適合的。對于4個信號，可用雙刀4擲(DP4T)開關(guān)。

應(yīng)用也存在超過2刀以上的情況。例如，4PDT(4刀雙擲)開關(guān)可支持對兩個元件的4線或kelvin連接歐姆測量。一個6PDT開關(guān)可提供驅(qū)動保護和4線歐姆測量。當然，這類開關(guān)術(shù)語可以無限地擴展。

從類似的刀和擲概念描述多路復(fù)用器，表示為n×m，其中n為刀數(shù)、m為擲數(shù)。某些供應(yīng)商把單刀8路多路復(fù)用器表示為1×8，而另一些供應(yīng)商稱之為8×1。多路復(fù)用器中，所有刀通常都接通在一起。例如，一個2×8多路復(fù)用器可用來接通8個差分信號中的一個到一個差分電壓表。

同樣的n×m表示用來描述開關(guān)矩陣，但在實際的矩陣中，n行中的任一行可以連接到m列中的任一列。例如，一個2×8矩陣可以同時連接到的任一行或兩行到列的任一列。若希望此矩陣可做為差分多路復(fù)用器，因包含大量的開關(guān)使其性能變壞、成本較高。

通常開關(guān)矩陣用于接通多輸入通道中的多個儀器。圖1示出列基矩陣開關(guān)儀器、源和DUT(通道1),DMM測量電壓。同時，不用的輸入都接地。在這種配置中，矩陣行的作用如同總線連接在一起的列組。

在行基的配置中，測試儀器和源是配置在不同的行中，列專門配置DUT?？梢赃x擇任何的行和列組合。重要的是正確地編程開關(guān)以防短路。有些情況用閉鎖矩陣可以避免矩陣增加成本。這些矩陣只允許一行連接到一個特定的列。根據(jù)所需的開關(guān)靈活性，可以組合少數(shù)多路復(fù)用器構(gòu)成稀疏矩陣，它只支持所有可能行一列組合的一個子集。

行和列接通順序也是重要的。通常，用先開后合開關(guān)來確保瞬時短路不會發(fā)生在不兼容信號間。在開發(fā)測試程序時，開關(guān)配置軟件可以監(jiān)控編程的儀器，在連接損壞時禁止開關(guān)變化。測試編程人員的責(zé)任是矩陣的應(yīng)用，使測試系統(tǒng)和DUT安全。

RF測試實例

RF無線電 IF(中頻)抑制測量的簡化測試系統(tǒng)示于圖2。FM信號功率和載波頻率都受控制。測量跨接在4歐姆負載(模擬揚聲器)上的無線電音頻輸出。測量儀器(圖中未示出)直接連接到無線電輸入和輸出。

RF信號和無線電都調(diào)諧到90.1MHz。在測試的第一部分，-3dB限制靈敏度測量，RF功率從參考電平減少到音頻輸出降到3dB為止。后面用該RF功率電平計算無線電IF抑制。

其次，信號載波頻率降到10.7MHz，但無線電保持調(diào)諧到90.1MHz。監(jiān)控?zé)o線電輸出電平隨RF信號功率電平增加的情況。

多路復(fù)用器

NI公司的PXI-2593開關(guān)模塊，可用于無端接的配置，如四3×1,雙8×1或單16或17×1多路復(fù)用器。增加外部50歐姆終端可支持500MHz以上高頻信號用的雙4×1或單8×1端接多路復(fù)用器。這種配置的詳圖示于圖3。

一般，完整的開關(guān)模塊表征參量是隔離、返回損耗和插入損耗。實際中，用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量模塊或個別繼電器的性能，能很快地提供完整的S參量信息?？蓮腟參量推導(dǎo)出隔離和損耗量。

往往要做一定的簡化。例如，一個繼電器從輸入或輸出看，物理上是相同的，則從輸出到輸入傳輸S12和從輸入到輸出傳輸S21將是相等的或非常接近于相等。

在無線電測試裝置中，500MHz開關(guān)性能指標大大超過90.1MHz最高信號頻率。然而，對于RF應(yīng)用，帶寬的開關(guān)性能指標才是關(guān)鍵。例如，開關(guān)如何良好地與測試系統(tǒng)的50歐姆特性阻抗匹配？不好的匹配等效于大的電壓駐波比(VSWR)，這會導(dǎo)致駐比圖形反射和失真的測試信號。

PXI-2593的VSWR(DC到200MHz)保證小于1.4：1。其典型性能圖示出，VSWR僅大于1.1:1。VSWR=(1＋|Г|)/(1-|Г|),式中1Г1是反射系數(shù)值。對于這些VSWR限制，其相應(yīng)的輸入反射系數(shù)范圍是0.167~0.048,或17%~5%左右。

往往標出返回損耗而不是反射系數(shù)。返回損耗＝-20log(|Г|),對于無線測試例子，它是15.5dB~26.4dB。此值越大，意味著通過開關(guān)的功率與反射功率之比就越大。換言之，較大的返回損耗值，意味著更多的輸入功率呈現(xiàn)在輸出。

考慮在相同VSWR范圍內(nèi)的插入損耗。假若由于在輸入端的反射使信號功率損失16.7%，則83.3%信號功率到達輸出。0.833：1比是插入損耗計算的基礎(chǔ)。插入損耗＝10 log(輸出/輸入)。對應(yīng)于1.4：1和1.1：1 VSWR插入損耗分別為0.8dB和0.2dB。典型的性能圖示出在100MHz插入損耗為0.2dB。

隔離

當開關(guān)打開和信號通路完全切斷時，信號的一小部分仍然會耦合到輸出。隔離描述輸入信號功率耦合到輸出的部分。隨著頻率的增高，開關(guān)隔離會降低，這是因為跨接斷開接點處的電容所致。然而，不同的繼電器具有足夠低的電容支持開關(guān)轉(zhuǎn)換1GHz或2GHz信號，甚至高達40GHz的信號。

例如，最高密度的開關(guān)模塊采用小的簧片繼電器作為開關(guān)器元件?；善^電器除小型特點外，還具有非常好的可靠性、低成本、指標范圍寬的特點。因為在玻璃管中兩個簧片彼此靠近，開關(guān)打開的最小電容大約為0.2pF。

有一種BGA封裝的繼電器，是專門為匹配50歐姆傳輸線而設(shè)計的無引線器件。BGA繼電器的輸入和輸出信號通路設(shè)計成RF傳輸線，貫穿繼電器的RF阻抗近50歐姆。這種繼電器雖然有11.5GHz，-3dB帶寬，但在5GHz其隔離僅為10dB。盡管此繼電器具有良好的匹配特性，產(chǎn)生良好的返回損耗(1GHz時35dB，5GHz時20dB)，但當繼電器打開時，有10%的輸入信號漏到輸出(在5GHz)。

用于討論隔離的電容耦合模型由下列部分組成：一個開路接點上的電壓源、跨接在接點上的雜散電容、另一個接點到地的50歐姆負載?；谶@種非簡化的模型，0.28pF電容對應(yīng)10dB隔離(在5GHz)或41dB隔離(100MHz)。

PXI-2593 多路復(fù)用器的隔離沒有規(guī)定，但通常在100MHz，其隔離大于90dB。在性能指標中注明繼電器的類型是機電鎖存繼電器。這種高頻機電繼電器(如G6Y)在900MHz，至少可提供65dB隔離。盡管PXI-2593多路復(fù)用器不采用簧片繼電器，但在高頻達到非常高的隔離是可能的。兩個繼電器與第3個繼電器串聯(lián)的T形配置，從中間點到并接電容耦合信號到地。這種方法需要3個繼電器，而串聯(lián)的兩個繼電器失配，將使整個插入損耗變壞。

為了在非常高的頻率實現(xiàn)良好的損耗和隔離利用段時間來確定相干取樣頻率。再次考察相同的8位圖形，將數(shù)據(jù)分為兩段(圖2)。由于分段的緣故，數(shù)據(jù)取樣不再按正常的時間順序排列，而是交錯地進行的，因此取樣波形是在采集完成后重新排序獲得的。CIS的取樣速率由下式給出：

SR=KN/Tb(NL+K)

因子K是可變的，對任何們長度和速率能保持10MS/s的取樣率。
 
近實時取樣示波器

NRO采用CIS技術(shù)，取樣器鎖定在從輸入信號中恢復(fù)的時鐘上，取樣速率略低于10MS/s，這樣取樣速率不是數(shù)據(jù)速率嚴格的整分數(shù)倍，讓取樣在圖形的同一時間點上重復(fù)進行。示波器連續(xù)地捕獲數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲器長度為4M點，最長可達512M點。

如上分析表明，NRO不是順序地采集數(shù)據(jù)的，需用記錄數(shù)據(jù)重新排序后來重構(gòu)波形。由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的差異，CIS方法采集數(shù)據(jù)至少比順序取樣技術(shù)快50倍(10MS/S對于200KS/S)；數(shù)據(jù)點多1000倍(4M點對4K點)。NRO的有效帶寬在20GHz-100MHz。

NRO通常用來捕獲重復(fù)的數(shù)據(jù)圖形。但也可以對非重復(fù)的信號(包括現(xiàn)場的串行數(shù)據(jù)流)進行眼圖的測試和抖動測量。CIS時基的取樣脈沖與時鐘信號鎖相的，CIS時基的RMS抖動一般小于600fs，可選購的高穩(wěn)定時基則能提供小于200fs的RMS抖動。在CIS模式中，4M點基本存儲長度可以在長串行數(shù)據(jù)碼型上完成抖動成分的分解；存儲長度擴展到512M點時，更能捕獲，顯示、測量近數(shù)百萬位的碼型。