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标题: 测试系统的开关构造 [打印本页]

作者: Bazinga 时间: 2014-7-14 15:52 标题: 测试系统的开关构造

测试系统往往用少量的仪器测量大量信号。这种设计方法制约成本，而且限制测试吞吐量。相反，如果系统具有测试的所有信号和足够的仪器，虽然能较快地提高吞吐量，但通常是成本高而不合算。

　　低成本测试系统的传统办法是在几个信号间开关转换一个数字电压表(DVM)。若只包含两个信号，则连接DVM用一个单刀双掷开关(SPDT)，单刀连接其两个信号之一。若必须开关转换信号的高和低端，则双刀双掷(DPDT)配置是适合的。对于4个信号，可用双刀4掷(DP4T)开关。

　　应用也存在超过2刀以上的情况。例如，4PDT(4刀双掷)开关可支持对两个元件的4线或kelvin连接欧姆测量。一个6PDT开关可提供驱动保护和4线欧姆测量。当然，这类开关术语可以无限地扩展。

　　从类似的刀和掷概念描述多路复用器，表示为n×m，其中n为刀数、m为掷数。某些供应商把单刀8路多路复用器表示为1×8，而另一些供应商称之为8×1。多路复用器中，所有刀通常都接通在一起。例如，一个2×8多路复用器可用来接通8个差分信号中的一个到一个差分电压表。

　　同样的n×m表示用来描述开关矩阵，但在实际的矩阵中，n行中的任一行可以连接到m列中的任一列。例如，一个2×8矩阵可以同时连接到的任一行或两行到列的任一列。若希望此矩阵可做为差分多路复用器，因包含大量的开关使其性能变坏、成本较高。

　　通常开关矩阵用于接通多输入通道中的多个仪器。图1示出列基矩阵开关仪器、源和DUT(通道1),DMM测量电压。同时，不用的输入都接地。在这种配置中，矩阵行的作用如同总线连接在一起的列组。

　　在行基的配置中，测试仪器和源是配置在不同的行中，列专门配置DUT。可以选择任何的行和列组合。重要的是正确地编程开关以防短路。有些情况用闭锁矩阵可以避免矩阵增加成本。这些矩阵只允许一行连接到一个特定的列。根据所需的开关灵活性，可以组合少数多路复用器构成稀疏矩阵，它只支持所有可能行一列组合的一个子集。

　　行和列接通顺序也是重要的。通常，用先开后合开关来确保瞬时短路不会发生在不兼容信号间。在开发测试程序时，开关配置软件可以监控编程的仪器，在连接损坏时禁止开关变化。测试编程人员的责任是矩阵的应用，使测试系统和DUT安全。

　　RF测试实例

　　RF无线电 IF(中频)抑制测量的简化测试系统示于图2。FM信号功率和载波频率都受控制。测量跨接在4欧姆负载(模拟扬声器)上的无线电音频输出。测量仪器(图中未示出)直接连接到无线电输入和输出。

　　RF信号和无线电都调谐到90.1MHz。在测试的第一部分，-3dB限制灵敏度测量，RF功率从参考电平减少到音频输出降到3dB为止。后面用该RF功率电平计算无线电IF抑制。

　　其次，信号载波频率降到10.7MHz，但无线电保持调谐到90.1MHz。监控无线电输出电平随RF信号功率电平增加的情况。

　　多路复用器

　　NI公司的PXI-2593开关模块，可用于无端接的配置，如四3×1,双8×1或单16或17×1多路复用器。增加外部50欧姆终端可支持500MHz以上高频信号用的双4×1或单8×1端接多路复用器。这种配置的详图示于图3。

　　一般，完整的开关模块表征参量是隔离、返回损耗和插入损耗。实际中，用向量网络分析仪来测量模块或个别继电器的性能，能很快地提供完整的S参量信息。可从S参量推导出隔离和损耗量。

　　往往要做一定的简化。例如，一个继电器从输入或输出看，物理上是相同的，则从输出到输入传输S12和从输入到输出传输S21将是相等的或非常接近于相等。

　　在无线电测试装置中，500MHz开关性能指标大大超过90.1MHz最高信号频率。然而，对于RF应用，带宽的开关性能指标才是关键。例如，开关如何良好地与测试系统的50欧姆特性阻抗匹配？不好的匹配等效于大的电压驻波比(VSWR)，这会导致驻比图形反射和失真的测试信号。

　　PXI-2593的VSWR(DC到200MHz)保证小于1.4：1。其典型性能图示出，VSWR仅大于1.1:1。VSWR=(1＋|Г|)/(1-|Г|),式中1Г1是反射系数值。对于这些VSWR限制，其相应的输入反射系数范围是0.167~0.048,或17%~5%左右。

　　往往标出返回损耗而不是反射系数。返回损耗＝-20log(|Г|),对于无线测试例子，它是15.5dB~26.4dB。此值越大，意味着通过开关的功率与反射功率之比就越大。换言之，较大的返回损耗值，意味着更多的输入功率呈现在输出。

　　考虑在相同VSWR范围内的插入损耗。假若由于在输入端的反射使信号功率损失16.7%，则83.3%信号功率到达输出。0.833：1比是插入损耗计算的基础。插入损耗＝10 log(输出/输入)。对应于1.4：1和1.1：1 VSWR插入损耗分别为0.8dB和0.2dB。典型的性能图示出在100MHz插入损耗为0.2dB。
隔离

　　当开关打开和信号通路完全切断时，信号的一小部分仍然会耦合到输出。隔离描述输入信号功率耦合到输出的部分。随着频率的增高，开关隔离会降低，这是因为跨接断开接点处的电容所致。然而，不同的继电器具有足够低的电容支持开关转换1GHz或2GHz信号，甚至高达40GHz的信号。

　　例如，最高密度的开关模块采用小的簧片继电器作为开关器元件。簧片继电器除小型特点外，还具有非常好的可靠性、低成本、指标范围宽的特点。因为在玻璃管中两个簧片彼此靠近，开关打开的最小电容大约为0.2pF。

　　有一种BGA封装的继电器，是专门为匹配50欧姆传输线而设计的无引线器件。BGA继电器的输入和输出信号通路设计成RF传输线，贯穿继电器的RF阻抗近50欧姆。这种继电器虽然有11.5GHz，-3dB带宽，但在5GHz其隔离仅为10dB。尽管此继电器具有良好的匹配特性，产生良好的返回损耗(1GHz时35dB，5GHz时20dB)，但当继电器打开时，有10%的输入信号漏到输出(在5GHz)。

　　用于讨论隔离的电容耦合模型由下列部分组成：一个开路接点上的电压源、跨接在接点上的杂散电容、另一个接点到地的50欧姆负载。基于这种非简化的模型，0.28pF电容对应10dB隔离(在5GHz)或41dB隔离(100MHz)。

　　PXI-2593 多路复用器的隔离没有规定，但通常在100MHz，其隔离大于90dB。在性能指标中注明继电器的类型是机电锁存继电器。这种高频机电继电器(如G6Y)在900MHz，至少可提供65dB隔离。尽管PXI-2593多路复用器不采用簧片继电器，但在高频达到非常高的隔离是可能的。两个继电器与第3个继电器串联的T形配置，从中间点到并接电容耦合信号到地。这种方法需要3个继电器，而串联的两个继电器失配，将使整个插入损耗变坏。

　　为了在非常高的频率实现良好的损耗和隔离利用段时间来确定相干取样频率。再次考察相同的8位图形，将数据分为两段(图2)。由于分段的缘故，数据取样不再按正常的时间顺序排列，而是交错地进行的，因此取样波形是在采集完成后重新排序获得的。CIS的取样速率由下式给出：

　　SR=KN/Tb(NL+K)

　　因子K是可变的，对任何们长度和速率能保持10MS/s的取样率。

　　近实时取样示波器

　　NRO采用CIS技术，取样器锁定在从输入信号中恢复的时钟上，取样速率略低于10MS/s，这样取样速率不是数据速率严格的整分数倍，让取样在图形的同一时间点上重复进行。示波器连续地捕获数据，并将数据存储器长度为4M点，最长可达512M点。

　　如上分析表明，NRO不是顺序地采集数据的，需用记录数据重新排序后来重构波形。由于数据采集技术的差异，CIS方法采集数据至少比顺序取样技术快50倍(10MS/S对于200KS/S)；数据点多1000倍(4M点对4K点)。NRO的有效带宽在20GHz-100MHz。

　　NRO通常用来捕获重复的数据图形。但也可以对非重复的信号(包括现场的串行数据流)进行眼图的测试和抖动测量。CIS时基的取样脉冲与时钟信号锁相的，CIS时基的RMS抖动一般小于600fs，可选购的高稳定时基则能提供小于200fs的RMS抖动。在CIS模式中，4M点基本存储长度可以在长串行数据码型上完成抖动成分的分解；存储长度扩展到512M点时，更能捕获，显示、测量近数百万位的码型。

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