设计用于测试电子或机电装置的开关系统

设计用于测试电子或机电装置的开关系统，就像设计那些装置本身一样，会存在许多问题。现代测试系统有许多用于激励或测量DUT的信号线和电源线，以及用于自动连接的各种开关。因此在一个多点开关系统中，激励、电源和其它信号的交互作用可能会产生对测量的噪声和干扰。噪声问题只有三个组成部分。噪声问题必然存在一个噪声源，它耦合至对噪声敏感的接收器。为解决噪声问题，首先要确定噪声源，然后要确定噪声接收点，最后是确定噪声的耦合方法。这并非神秘莫测的过程，而是有需可靠遵循的物理规则。有时源和耦合方法可能非常微妙，但绝不会违反基本规则。通常，工程师会在设计一个系统至另一系统的信号路径上花大量精力，但往往忽视返回路径。正确设计的系统应有经定义的信号路径和返回路径，需要用这两者建立工作系统。如果在设计中忽略返回路径，跟踪噪声问题的任务将是极为困难的。返回路径的不良设计可能改变系统其它部分。改变的返回路径可能表现为间歇性的问题，出现难以理解的有害噪声。图1示出通用的测试系统体系结构。开关是整个系统的中心，它把许多测试点接到测量仪器，提供信号路由和为DUT加电。但它也是许多，有时是无法说明的测量误差来源，相近的许多互连提供了噪声耦合的大量机会。需要测试装置中出现的较高速逻辑，它与更灵敏的模拟电路一起，要求对开关系统作精心的设计和实现，以降低噪声和保持信号完整性。这是为需要构建测试系统的工程师编写的应用指南。着重讲解在把商业化的开关产品和仪器集成至测试系统时，如何降低噪声耦合问题。设计测试系统时，需要了解测试信号的频率和幅度，以及测试仪器、开关系统和DUT的输入和输出特性。本应用指南所介绍的降低噪声技术适用于信号频率低于300MHz，电压低于250V，电流低于5A，以及伏特赫兹乘积小于107的情况。如果没有其它参照，不推荐把这些解决方案外推到更高幅度或更高频率。测试系统中的噪声源对测试工程师来说，了解系统中有害噪声的来源是极为重要的。一张设计规则表能帮助降低有害噪声，但对于了解噪声来自何处则是很不够的。在专用于测试电子模块的电子测试系统中，造成噪声的最重要原因是传导性耦合、公共阻抗耦合，以及电场和磁场。除了这些噪声源外，一些系统还对来自电流效应、热偶噪声、电解效应、静电效应和导体运动的噪声感应。噪声最容易耦合进电路的一种途径是进入电路的导体，它会产生传导性耦合噪声。通过喧闹噪声环境的导体有拾取噪声和传送至其它电路的极好机会。接至电路的电源线通常会造成电容性耦合噪声。当电流从两个不同电路通过公共阻抗时，就会产生公共阻抗耦合。一个电路的地电压受另一电路的影响。对每一电路来说，其地电位受公共地阻抗中其它电路地电流调制，从而导致噪声耦合。只要有电荷运动或存在电位差，就会产生幅射磁场和电场，电路中的高频干扰可能被检波，而作为直流误差出现。开关系统电路对电台、电视和其它无线广播的电磁辐射也很敏感。因此，有必要把敏感电路与这些电磁场屏蔽。在测试系统环境中，仔细处理接地和屏蔽能实现最精确的低电平信号测量。这些噪声降低技术同样适用于单点和多点系统。开关系统中的噪声开关系统中的噪声源包括内部开关驱动电路、开关上的热不平衡、系统其它导体的噪声耦合，以及系统外部产生的噪声。可通过机械设计把继电器所有触点置于相同的温度梯度，或使用锁存继电器，以把热不平衡减到最小。在使用锁存继电器时，改变继电器状态的激励时间只有15-20ms。这就消除了线圈能量这一主要热源。来自相邻通道的噪声被耦合至测量通道，构成对信号完整性的严重威胁。正确的屏蔽和接地技术可消除硬线系统的大量此类问题，但当信号必须有选择地切换至示波器、计数器或某些其它测量仪器时，问题就变得十分尖锐。在许多情况下，噪声主要来自系统中的相邻通道（串扰）。在图2的简化等效电路中，可看到开关系统中的大部份电容都跨开关触点，和在相邻的传导路径间。由于噪声耦合是面积和接近程度的函数，减少耦合的简单方法就是隔离开关和相互间的导体。但增加开关密度也是想要实现的目标;从而能在更小的箱体中实现更大的容量。况且今天的被测系统也越来越复杂，比过去有更多的测试点。因此，测试工程师将处于同时增加元件密度和通道距离的两难境地。降低噪声屏蔽和接地是降低有害噪声的两项主要方法。它们经常一起使用，例如把电缆屏蔽接地。此时了解电缆屏蔽应在何处接地，以得到最高的屏蔽效率是非常重要的。在某些情况下，对一种噪声问题的解决方案可能会降低其它噪声问题解决方案的效率，必须很好了解噪声源，耦合方法和噪声接收器，以在它们之间作出适当的权衡。屏蔽测试系统的噪声屏蔽包括对电容性（电）和电感性（磁）耦合的屏蔽。对电容性耦合的屏蔽测试系统通道间的电容性噪声耦合由电路间的电场交互造成，这易于理解，也易于进行屏蔽。图3示出一条导线至另一条导线的噪声耦合是由导线间的电容（C12）造成。对于负载电阻R（在大多数实际情况中，R1/[jω(C12+C2G)]），噪声电压近似为：VN≌jωRC12V1。这一公式表明噪声电压与噪声源的频率和幅度、电阻R及电容C12成正比。假定已为噪声源的改进做出了最大努力，那么可改变的参数就只有R和C12。如果您能减小电容C12，就将减小耦合至导线的噪声电压。当两者距离达到导线直径40倍时，物理隔离将实现大约8dB的噪声降低。再加大距离的效果就不明显了。另一种方法是使用较低的阻值。但要求的电路负载或阻抗失配可能使这种方法并不可行。在信号线周围使用具有相同电场（屏蔽分布均匀）的接地屏蔽可把信号线上的噪声电压减小到零。但在高频时，导体不得超出屏蔽范围。这对接地的屏蔽是非常重要的。如果屏蔽不接地，中心导体拾取的噪声电压就等于导线1上的噪声电压。屏蔽仅仅是耦合了噪声电压（图4）。图5示出中心导线暴露于屏蔽定义范围外时的同样电路（它有有限的接地电阻）。此时的噪声电压降低为：VN=jωRC12V1由于电缆部分屏蔽降低了噪声耦合，C12已减小了很多。但如果屏蔽不完整，那么C12中必须包括屏蔽空洞的影响。作为小结，需要采用好的电场屏蔽，最小化超出屏蔽范围的中心导体长度和提供屏蔽的良好接对电感性辐射的屏蔽电感性耦合比电容性耦合更难消除。事实上，上面例子中的良好电场屏蔽对电感性耦合噪声毫无影响。电感性耦合的一个重要来源是屏蔽与中心导体间的互感，它等于屏蔽互感（M=Ls）。从图6中的电路图和Ls=M的事实，我们能得到下面的关系式：VN?频率图上的3dB点定义为屏蔽的截止频率ωc。也可表示为ωc=Rs/Ls。中心导体的噪声电压在直流时为零，在5倍截止频率时增加到约VShield。对磁辐射的屏蔽屏蔽可用于防止从一条信号路径经电感性耦合至另一路径的辐射。图7示出一个围绕导体的电场和磁场。如果屏蔽在导体周围的某一点接地，电场线会受到控制，但屏蔽对磁场却没有影响（图7b）。另一方面，如果通过屏蔽的电流与中心导体中的电流大小相等而方向相反，那么所产生的磁场将会被抵消（图7c）。对于在屏蔽电缆两端接地的电路，屏蔽也必须在两端接地，以防止磁辐射。这适用于屏蔽截止频率以上的频率，因为屏蔽与中心导体间的互感提供比接地平面更低的阻抗路径。在该频率以下，接地平面承载绝大部分噪声电流，屏蔽对于噪声的包容并不有效。如果电路仅在一端接地，那么屏蔽也应在同一端接地。这样能保证感应电流与中心导体及屏蔽中的电流大小相等而方向相反。两端接地将降低屏蔽的效率，因为部分感应电流会通过接地平面。仅在一端接地的屏蔽对低于屏蔽截止频率的频率是非常有效的。对磁接收的屏蔽由于电感性噪声正比于切割噪声磁通的环路面积，减小接收器环路面积就能最有效地保护电路，避免接收磁场噪声。接收器环路是接收器电路中电流环绕的总面积，它包括电流返回源的路径。通常这一返回路径在设计中并未仔细考虑，在测试过程中有可能改变，造成环路面积的变化。也很难予以改正。第7页中的图8a示出没有屏蔽，但有大环路面积，因此对磁接收非常敏感的接收器。在图8b中增加了在两端接地，以减小环路面积。由于减小了环路面积，因此能提供对磁场的一定保护，但屏蔽本身并没有任何磁屏蔽特性。在图8c中，屏蔽防止在导体周围，并仅在一端接地，它并不改变环路面积，因此也不提供任何磁屏蔽。在屏蔽的截止频率以下，大部分返回电流将通过接地平面，而不是通过屏蔽，即使是在两端接地时。在图8b的较低频率情况下，屏蔽并不能提供对磁场的保护。不应使用这种电路有两个理由。首先是因为屏蔽也是一个导体，屏蔽中的任何噪声电流也会产生IR压降，在电路中即表现为噪声电压。其次是接地平面两点间所存在的任何地电位差也将在电路中产生噪声电压。当在电路中使用屏蔽，并两端接地时，由于地环路中会感应大的噪声电流，因此只能对低频磁场起保护作用。为对低频感应噪声作最大保护，屏蔽不应成为一个信号导体，电路的一端必须与地隔离。电缆比较选择正确的电缆类型也是重要的系统设计任务。双屏蔽电缆或三轴电缆的二个屏蔽是绝缘的，可提供对噪声耦合的最大保护。由于噪声电流是流经外屏蔽，而信号返回电流是流经内屏蔽，这两个电流不会流过产生噪声耦合的公共阻抗。屏蔽在一点接地的同轴电缆提供对电容性拾取的有效保护。在1MHz以上，同轴电缆屏蔽的集肤效应正模拟了三轴电缆，提供可与其相比的性能，并且避免了三轴电缆的昂贵和粗笨。在屏蔽靠外一方流过噪声电流，而信号返回电流则流过屏蔽的靠内一方。同轴电缆的阻抗在DC至VHF（30MHz-300MHz）频率是相当一致的。对于直到几百kHz的应用，应选择双绞线（两条绞在一起，以减小环路面积的导线）和屏蔽双绞线。在此频率之上，这些电缆会出现信号损耗，但在此频率以下，屏蔽双绞线的性能甚至能与三轴电缆相比。除非是用于平衡电路，无屏蔽双绞线对电容性拾取的保护能力较差，但对磁拾取则有好的噪声抗扰度。接地如果在设计中能把接地像系统其它部分那样仔细考虑，适当的接地和屏蔽将能解决大部分噪声问题。不正确的接地可能成为主要的噪声源。接地系统的设计目标是把流过公共接地阻抗的两个或多个电路电流所产生的噪声电压减到最小，以及避免造成对磁场敏感的地环路和地电位差。虽然有许多要把电路接地的可能理由，但两个最普通的理由是安全和为信号电压提供等电位的参考点。安全地可在仪器机箱与电网高压间阻抗击穿时提供对地的低阻抗路径，安全地始终为大地的电位。信号地可以是，也可以不是大地，可把信号地看作电路或系统的等电位电路参考点，或是电流返回源的低阻抗路径。第一种定义是对理想化接地的经典解释。第二种定义强调IR压降的事实，该压降在接地平面中产生，并把噪声耦合至信号导体。基于实用原因，大多数系统需要隔离系统不同部件的接地返回。低电平信号地应与硬件地和噪声地，如继电器地和马达地隔离。例如在敏感系统中，要把信号地分成低电平地和数字地，以防止较高电平和较高噪声的数字信号耦合进低电平线。如果整个系统由交流电网配电，那么应把电源地接至机箱或硬件地。对于低电平，应始终使用一个地参考点。否则任何地电位差都将作为信号路径中的噪声出现。如图9所示，如果仪器的低端接地（Z2=0），那么Ecm将直接跨Rb，而与输入信号相串联。把仪器的低端浮置，即把Z2增加到一个很大的阻值，以构成一个分压器，从而把测量路径中的噪声按大约Rb/Z2的因素降低。一点接地系统信号接地可以为一点接地或多点接地。系统中的一点接地能经串联或并联连接。对于噪声耦合，最差的接地方案是串联接地，但这也是最廉价和最简单的接线方法。因此使用面也最广。对于非关键性的应用，串联接地有可能得到满意的结果。但最重要的电路应最接近主要接地点。图10示出串联接地连接；电路1应是最关键的电路。并联接地如第9页的图11所示，这是低频时的最好配置。它消除了流过不同电路地电流的交叉耦合。但这种方案的接线和使用都比较麻烦。在高频时，并联的单点连接是极受限制的，原因在于接地导体的阻抗增加了接地阻抗，从而在接地线间产生电容性耦合。随着频率的增加，情况将变得更坏，接地线会成为天线，并辐射噪声。作为规则，接地线应保持短于波长的1/20，以防止辐射和保持低阻抗。多点接地系统高频应用应使用多点接地系统。在多点接地系统中，来自所有电路的全部接地电流都流过公共的地阻抗，如图12所示。通常