【導(dǎo)讀】自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中，信號(hào)開(kāi)關(guān)是十分常見(jiàn)的模塊，沒(méi)有任何一款信號(hào)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)能夠適用于任何應(yīng)用，因此對(duì)于適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)元件的選擇就變得非常重要。那該如何為測(cè)試系統(tǒng)挑選合適的開(kāi)關(guān)呢？本文也許能給你答案。
自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的單元，這取決于特定的應(yīng)用場(chǎng)合，但是在幾乎所有的例子中，信號(hào)開(kāi)關(guān)都是很常見(jiàn)的模塊。沒(méi)有任何一款信號(hào)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)能夠適用于任何應(yīng)用，因此對(duì)于適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)元件的選擇就變得非常重要。
對(duì)于適當(dāng)?shù)男盘?hào)開(kāi)關(guān)的選擇要比大多數(shù)測(cè)試工程師對(duì)它的信賴(lài)要重要的多。信號(hào)開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)測(cè)試單元與激發(fā)和響應(yīng)儀器之間的連接工作（如圖1所示）。恰當(dāng)?shù)倪B接確保了系統(tǒng)的可重復(fù)性以及精度。因?yàn)槿魏螠y(cè)量的精度都只能與其中最薄弱部分的能力相當(dāng)，因此較差的開(kāi)關(guān)只能帶來(lái)較差的測(cè)量精度。
圖1：信號(hào)開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)測(cè)試單元與激發(fā)和響應(yīng)儀器之間的連接工作
圖中簡(jiǎn)化的模塊圖強(qiáng)調(diào)了信號(hào)開(kāi)關(guān)在測(cè)試系統(tǒng)中作為關(guān)鍵元件的重要性，它是測(cè)試儀器獲取待測(cè)器件資源的門(mén)戶(hù)。
由于在開(kāi)關(guān)過(guò)程中錯(cuò)誤的決定會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性和精度，在測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入一些事先考慮的因素能夠帶來(lái)很多回報(bào)。在本文中所提到的問(wèn)題不僅僅應(yīng)用于廣泛應(yīng)用的PXI測(cè)試系統(tǒng)，也應(yīng)用于當(dāng)今業(yè)界廣泛使用的各種測(cè)試平臺(tái)中。
首先要考慮的問(wèn)題
在設(shè)計(jì)具有信號(hào)開(kāi)關(guān)的測(cè)試儀時(shí)，做出謹(jǐn)慎的選擇是非常重要的。首先，要從相對(duì)較高的水平上對(duì)測(cè)試計(jì)劃以及待測(cè)器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。然后再視清單中對(duì)于測(cè)試平臺(tái)選擇的可獲取性和資源的可獲取性，進(jìn)而確定哪些是必須從認(rèn)可的供應(yīng)商那里進(jìn)行采購(gòu)的。在選擇過(guò)程中關(guān)鍵的因素是測(cè)量精度的可重復(fù)性以及測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。
當(dāng)進(jìn)行到測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)時(shí)，這里有許多問(wèn)題。在開(kāi)始選擇開(kāi)關(guān)系統(tǒng)時(shí)，要從這一基本方面入手：即繼電器類(lèi)型。能夠應(yīng)用于多種應(yīng)用類(lèi)型的繼電器對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的精度和長(zhǎng)期的使用壽命都是非常重要的。如果某人都發(fā)明工作在26GHz的直流電流、并且能夠重復(fù)性地處理10A到50mA的電流的話(huà)，那么這個(gè)人應(yīng)當(dāng)非常富有。但是在現(xiàn)實(shí)中，有許多選擇是由應(yīng)用所決定的。
如圖2所示的簧片繼電器提供了更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)壽命，并且在嚴(yán)酷的環(huán)境條件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性氣體的環(huán)境中。簧片具有纏繞的卷盤(pán)，以確保磁性開(kāi)關(guān)的精度。
圖2：簧片繼電器提供了更長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)壽命
圖2 在簧片繼電器中，開(kāi)關(guān)被玻璃膠囊所包圍，或者稱(chēng)為“簧片”，這就保護(hù)了器件的電氣接觸性。
簧片繼電器的主要優(yōu)點(diǎn)是它的可靠性：在上億次或者更多次數(shù)的操作后它們通常仍然是完好的，并且比其他類(lèi)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(jí)別信號(hào)的應(yīng)用而言，繼電器是一個(gè)非常好的選擇。缺點(diǎn)就是它們的成本較高，并且它們的熱開(kāi)關(guān)特性不如其他類(lèi)型的繼電器好。
另一種非常流行的繼電器類(lèi)型是電磁繼電器（Electromechanical Relay，EMR，如圖3所示）。電磁繼電器的優(yōu)點(diǎn)是，在斷開(kāi)狀態(tài)，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(guò)這些器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)。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(kāi)關(guān)。最后，電磁繼電器的價(jià)格比簧片繼電器要低很多，因?yàn)樗鼈兊闹圃爝^(guò)程很簡(jiǎn)單。它們的缺點(diǎn)是使用壽命較短，并且具有較多的熱EMF問(wèn)題。
圖3：電磁繼電器
圖3 請(qǐng)注意，不像是簧片繼電器，電磁繼電器沒(méi)有接觸封裝，因此是暴露在環(huán)境中的固態(tài)開(kāi)關(guān)在最新的測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中顯示出更多的流行性。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，如果你的應(yīng)用是保持在規(guī)格之內(nèi)的話(huà)，固態(tài)繼電器具有不受限制的壽命；他們并不擔(dān)心這一點(diǎn)。并且，固態(tài)繼電器同樣沒(méi)有開(kāi)關(guān)反彈效應(yīng)。
從另一方面來(lái)說(shuō)，與簧片繼電器和電磁繼電器相比，固態(tài)繼電器具有非常窄的帶寬。與機(jī)械繼電器相比，在封閉的操作環(huán)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(wèn)題。但是對(duì)于許多應(yīng)用而言，固態(tài)開(kāi)關(guān)在特定的領(lǐng)域非常合適。
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測(cè)試計(jì)劃
在簡(jiǎn)單介紹繼電器的類(lèi)型之后，是需要進(jìn)入到實(shí)際測(cè)試計(jì)劃的時(shí)間了。這里有一些問(wèn)題需要回答：
你需要測(cè)試的規(guī)格是什么？當(dāng)對(duì)某個(gè)信號(hào)源進(jìn)行開(kāi)關(guān)或測(cè)量的時(shí)候，需要處理的最大電壓是多大？需要關(guān)注的最大電流是多少？頻率如何？
對(duì)上述問(wèn)題具有答案之后，我們可以考慮是否需要熱開(kāi)關(guān)或者冷開(kāi)關(guān)（并且分別涉及到開(kāi)關(guān)或者負(fù)載電流）。基本上，這就意味著繼電器是通過(guò)施加的功率進(jìn)行開(kāi)關(guān)（熱開(kāi)關(guān)），亦或是先保持?jǐn)嚅_(kāi)、然后再施加功率（冷開(kāi)關(guān)）。大部分的繼電器對(duì)于熱開(kāi)關(guān)和冷開(kāi)關(guān)是有差別的。
下一步行動(dòng)
一旦繼電器的類(lèi)型得到確定之后，開(kāi)關(guān)的配置就必須確定。一般會(huì)選擇單刀單擲開(kāi)關(guān)繼電器、多路繼電器或者交叉點(diǎn)繼電器矩陣。然后，需要控制的測(cè)試點(diǎn)數(shù)目必須進(jìn)行考慮。
在較高的頻率下，你會(huì)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(lèi)。最后，需要考慮測(cè)試系統(tǒng)所處的應(yīng)用環(huán)境。是否會(huì)有爆炸性氣體？例如，你是否在為應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道或者軍事基地建立測(cè)試儀器？
也許電纜是同樣重要的元件，因?yàn)槟闼褂玫睦^電器可以具有非常低的插入損耗和重復(fù)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(cuò)誤，或者是質(zhì)量低下的連接器。那么頓時(shí)你就失去了開(kāi)關(guān)模塊所具有的優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，電纜就成為你的測(cè)試系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)，影響整個(gè)測(cè)量精度。
如何避免失效
即便你決定了繼電器的類(lèi)型、所需配置的模塊，為了避免發(fā)生問(wèn)題，你仍然需要關(guān)注可能產(chǎn)生的失效。
首先要考慮的問(wèn)題是熱開(kāi)關(guān)。熱開(kāi)關(guān)會(huì)降低所有機(jī)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(shù)據(jù)表會(huì)給你關(guān)于你所期望的使用壽命的一些數(shù)據(jù)——關(guān)于低級(jí)、中級(jí)以及全功率，并且你會(huì)看到各種繼電器在每個(gè)階段使用壽命的差別。此外，如果系統(tǒng)的運(yùn)行條件非常接近繼電器的極限，你有可能會(huì)損壞繼電器，甚至有可能會(huì)使其著火！
接下來(lái)要關(guān)心的問(wèn)題是，如果電路本身是大電容負(fù)載的情況。有一些你可能會(huì)需要釋放功率的應(yīng)用，例如當(dāng)你改變開(kāi)關(guān)極性的時(shí)候。這會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電流，并且它們確實(shí)會(huì)影響你所使用開(kāi)關(guān)的壽命。明顯地，你不能總是避免這種情況，所以你可能會(huì)在這個(gè)項(xiàng)目中將更高能力的繼電器包括進(jìn)去。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)生的其他情況主要是代碼錯(cuò)誤，這可能會(huì)使得繼電器關(guān)閉較長(zhǎng)的時(shí)間，或者你偶然性地將原本需要進(jìn)行冷開(kāi)關(guān)的電路設(shè)定為熱開(kāi)關(guān)。人難免會(huì)犯錯(cuò)，所以全面地驗(yàn)證和檢驗(yàn)?zāi)愕拇a是非常重要的。
繼電器規(guī)格可能會(huì)被忽視的另一個(gè)地方是額定功率。繼電器的額定功率并不總是能達(dá)到你所想像的那樣足夠的高。許多測(cè)試和測(cè)量開(kāi)關(guān)系統(tǒng)都假設(shè)了較低的占空比，因此并沒(méi)有考慮連續(xù)性的功率。
你可能會(huì)想，使用最小的電壓并不是問(wèn)題。再想想，尤其是高電壓應(yīng)用，大部分的高電壓繼電器必須具有可靠的最小電壓開(kāi)關(guān)特性。如果你試圖對(duì)較低的電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)，你會(huì)得到較高的電阻，因?yàn)槔^電器的接觸并沒(méi)有充分“潤(rùn)滑”。潤(rùn)滑在電磁繼電器中是非常重要的，因?yàn)槔^電器的接觸是暴露在環(huán)境中的，并且會(huì)氧化。（請(qǐng)見(jiàn)下文“潤(rùn)滑”）
另一項(xiàng)需要特別注意的規(guī)格是繼電器的期望壽命。如果你的應(yīng)用會(huì)進(jìn)行數(shù)月甚至數(shù)年的測(cè)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(cè)試周期中加入關(guān)閉時(shí)間和維護(hù)周期，以使得在開(kāi)關(guān)模塊達(dá)到它們的額定壽命的時(shí)候進(jìn)行置換（如圖4所示）。
關(guān)于“潤(rùn)滑”
對(duì)于我們中那些已經(jīng)測(cè)試了很長(zhǎng)時(shí)間的方式而言，“潤(rùn)滑”這種方式最初是指繼電器的接觸是浸沒(méi)在水銀中的應(yīng)用，或者說(shuō)是通過(guò)水銀進(jìn)行“潤(rùn)滑”。這種繼電器通過(guò)使用水銀減小接觸電阻和壓降的方法應(yīng)用在許多領(lǐng)域。對(duì)于低電流信號(hào)而言，水銀能夠阻止表面沾污，表面沾污會(huì)使得繼電器的接觸變差；對(duì)于高速應(yīng)用而言，水銀能夠消除繼電器的接觸反彈。
當(dāng)然，因?yàn)樗y的劇毒特性，我們很少再見(jiàn)到使用水銀進(jìn)行潤(rùn)滑的繼電器。所以我們會(huì)使用其他技術(shù)。
當(dāng)今，潤(rùn)滑涉及到流經(jīng)繼電器接觸的最小電流。維基百科對(duì)潤(rùn)滑電流提供了良好的定義：“機(jī)械開(kāi)關(guān)運(yùn)行過(guò)程中需要突破淀積在接觸上的氧化膜，潤(rùn)滑電流是需流經(jīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的最小電流。氧化膜通常發(fā)生在具有較高濕度或化學(xué)氣體的環(huán)境中。一定量的潤(rùn)滑電流在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是非常必要的，使用具有較小的接觸壓力的精細(xì)開(kāi)關(guān)可以作為傳感器輸入。如果不能達(dá)到這種效果，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)保持電氣“斷開(kāi)”狀態(tài)，或者由于接觸氧化的原因會(huì)引入比所允許的更高的電阻”。
這就意味著如果你建立的測(cè)試展示了較低阻值的隨機(jī)性電阻或者一直保持?jǐn)嚅_(kāi)，請(qǐng)仔細(xì)查看你所使用的繼電器的規(guī)格。很有可能你的電路并沒(méi)有足夠大的電流來(lái)穿通接觸面的氧化層。這就意味著你需要在測(cè)試中改變繼電器的類(lèi)型，更好的控制自動(dòng)測(cè)試設(shè)備所處的環(huán)境，或者對(duì)繼電器加入“潤(rùn)滑”，以使得其更加適用于測(cè)試。
圖4：簧片繼電器的常規(guī)損耗
頂部?jī)蓚€(gè)分解的簧片繼電器描述了常規(guī)的損耗；最上面的圖中是一個(gè)全新“潔凈”的簧片基礎(chǔ)，右上的圖顯示在使用過(guò)程中變得有些暗淡，但是仍然在規(guī)格之內(nèi)。左下圖，由于錯(cuò)誤使用，接觸已經(jīng)斷開(kāi)，右下的圖中繼電器已經(jīng)有凹痕，變得非常不可靠。因此，針對(duì)繼電器，我們需要制定詳細(xì)的維護(hù)計(jì)劃。
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是什么損壞了？
假設(shè)我們有一個(gè)具有損壞繼電器的多點(diǎn)矩陣，它總是保持?jǐn)嚅_(kāi)或者關(guān)閉狀態(tài)。你會(huì)見(jiàn)到許多多點(diǎn)的失效，因?yàn)榫仃嚬ぷ髟淼脑颍ㄈ鐖D5所示）。問(wèn)題在于，要在8000個(gè)繼電器中找到失效的那個(gè)。
圖5：矩陣工作原理
圖5 矩陣中一個(gè)壞的繼電器實(shí)際上會(huì)影響許多可能的連接。從矩陣的邊緣進(jìn)行檢測(cè)確實(shí)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
首先讓我們考慮開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的自我測(cè)試。一些限制因素加入到了自我測(cè)試中，這同時(shí)也增加了成本。國(guó)防軍事工業(yè)可能對(duì)成本的增加能夠接受，但是許多商業(yè)企業(yè)會(huì)阻止成本增加。例如PXI等標(biāo)準(zhǔn)，你會(huì)遇到的問(wèn)題還有，較小的印制電路板并不允許加入自我測(cè)試所需要的較大的空間。然而我們?nèi)匀豢梢哉业浇鉀Q這一問(wèn)題的方法。
商業(yè)上，有工具可以測(cè)試開(kāi)關(guān)路徑。在許多案例中的主要方法是通過(guò)連接到DMM的外接工具來(lái)對(duì)沿著復(fù)雜開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的所有路徑進(jìn)行基本的開(kāi)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(duì)繼電器矩陣或多路繼電器的所有開(kāi)關(guān)路徑進(jìn)行基本的檢查。
這對(duì)相對(duì)復(fù)雜的模塊是有作用的。如果電路板上只有20個(gè)或者30個(gè)繼電器，因?yàn)槠浜?jiǎn)單性，供應(yīng)商有可能不會(huì)提供解決方案。你就得花費(fèi)很多時(shí)間和精力在開(kāi)發(fā)自動(dòng)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(yīng)當(dāng)鑒別出失效的繼電器。上文中提到的明顯失效的繼電器會(huì)一直保持?jǐn)嚅_(kāi)或者閉合的狀態(tài)。但是你還要考慮電路板的布線(xiàn)連接情況。再一次的，DMM可以測(cè)量走線(xiàn)路徑的電阻，并且查找出那些已經(jīng)開(kāi)始超出規(guī)格的走線(xiàn)上的繼電器。
確保工具能記錄下測(cè)試結(jié)果是非常重要的，因?yàn)槟憧梢該?jù)此分析長(zhǎng)期的失效。請(qǐng)記住一點(diǎn)，機(jī)械繼電器的耐用性是有一定時(shí)間限制的，即便沒(méi)有施加應(yīng)力的時(shí)候；當(dāng)它們接近使用壽命時(shí)，其電阻會(huì)變得更高。你可以查看這些日志文件來(lái)進(jìn)行趨勢(shì)分析，并且思考更換特定的繼電器，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)接近了其使用壽命。
對(duì)于如圖6所示的自我配置而言，如果我們關(guān)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(huì)在DMM上展示94Ω電阻的讀數(shù)。如果某一個(gè)繼電器處于關(guān)閉的狀態(tài)，那么測(cè)量將會(huì)超出限度。如果繼電器矩陣中某處的另一個(gè)繼電器也是斷開(kāi)的，你會(huì)在47Ω的電阻上得到一個(gè)平行的路徑，并且這會(huì)改變測(cè)量值。具有斷開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)的多次測(cè)量之間的差異能夠找出失效的繼電器。
圖6：使用自測(cè)試固定裝置配置基本的4x8繼電器矩陣
圖6 使用自測(cè)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(gè)電阻的一端連接到X軸或者Y軸，另一端與DMM的另一個(gè)47Ω的X軸電阻或者Y軸電阻進(jìn)行平行地連接。
正如前文所提到的，特定的高壓繼電器會(huì)需要較高的電壓對(duì)接觸進(jìn)行“潤(rùn)滑”。所以如果使用DMM的話(huà)，請(qǐng)對(duì)這種自我測(cè)試類(lèi)型保持謹(jǐn)慎，因?yàn)槠骄鶃?lái)看他們?cè)?mA電流下的測(cè)量源頭為5V，這并不足以對(duì)繼電器的接觸進(jìn)行足夠的“潤(rùn)滑”。應(yīng)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(duì)繼電器的電壓降進(jìn)行測(cè)量。
另一種可能性是查看對(duì)產(chǎn)品具有內(nèi)建自我測(cè)試的供應(yīng)商。感謝技術(shù)上的進(jìn)步，有的供應(yīng)商會(huì)通過(guò)合理的增加成本來(lái)采購(gòu)具有自我測(cè)試功能的產(chǎn)品。一種方法是提供連接到走線(xiàn)路徑的交流電源。電壓降通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)量，而配套的軟件會(huì)使得路徑閉合，并且驗(yàn)證電壓降，評(píng)定走線(xiàn)路徑是否正確，或者是否超出了規(guī)格，并且在進(jìn)一步行動(dòng)之前對(duì)結(jié)果進(jìn)行記錄。
當(dāng)然，總會(huì)有替代方案的。一種稱(chēng)為“繼電器計(jì)數(shù)”的自我測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在幾年前得以應(yīng)用。前提是每個(gè)繼電器都有特定的使用壽命，進(jìn)而通過(guò)對(duì)繼電器保持連接的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以現(xiàn)實(shí)它們達(dá)到使用壽命的時(shí)間。
這種方法聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是它是有問(wèn)題的。首先，繼電器的計(jì)數(shù)并不考慮開(kāi)關(guān)電流對(duì)繼電器壽命的影響。繼電器的使用壽命取決于通過(guò)接觸的負(fù)載：在小電流負(fù)載的情況下繼電器可以運(yùn)行到額定的次數(shù)，但是滿(mǎn)功率負(fù)載將會(huì)減少開(kāi)關(guān)次數(shù)。在一些應(yīng)用條件下繼電器的使用壽命最少會(huì)減少三個(gè)數(shù)量級(jí)。因此繼電器是否還能夠正常工作極大地取決于實(shí)際應(yīng)用。
