設計用于測試電子或機電裝置的開關系統(tǒng)

1、.：.；設計用于測試電子或機電安裝的開關系統(tǒng)，就像 設計那些安裝本身一樣，會存在許多問題。現代測試系 統(tǒng)有許多用于鼓勵或丈量 DUT 的信號線和電源線，以 及用于自動銜接的各種開關。因此在一個多點開關系 統(tǒng)中，鼓勵、電源和其它信號的交互作用能夠會產生對 丈量的噪聲和干擾。噪聲問題只需三個組成部分。噪聲問題必然存在 一個噪聲源，它耦合至對噪聲敏感的接納器。為處理噪 聲問題，首先要確定噪聲源，然后要確定噪聲接納點， 最后是確定噪聲的耦合方法。這并非奧秘莫測的過程， 而是有需可靠遵照的物理規(guī)那么。有時源和耦合方法可 能非常微妙，但絕不會違反根本規(guī)那么。通常，工程師會在設計一個系統(tǒng)至另一系統(tǒng)的信 號途

2、徑上花大量精神，但往往忽視前往途徑。正確設計 的系統(tǒng)應有經定義的信號途徑和前往途徑，需求用這 兩者建立任務系統(tǒng)。假設在設計中忽略前往途徑，跟蹤 噪聲問題的義務將是極為困難的。前往途徑的不良設 計能夠改動系統(tǒng)其它部分。改動的前往途徑能夠表現 為間歇性的問題，出現難以了解的有害噪聲。圖 1 示出通用的測試系統(tǒng)體系構造。開關是整個 系統(tǒng)的中心，它把許多測試點接到丈量儀器，提供信號 路由和為 DUT 加電。但它也是許多，有時是無法闡明 的丈量誤差來源，相近的許多互連提供了噪聲耦合的 大量時機。 需求測試安裝中出現的較高速邏輯，它與更靈敏 的模擬電路一同，要求對開關系統(tǒng)作精心的設計和實 現，以降低噪聲和

3、堅持信號完好性。這是為需求構建測試系統(tǒng)的工程師編寫的運用指 南。著重講解在把商業(yè)化的開關產品和儀器集成至測 試系統(tǒng)時，如何降低噪聲耦合問題。設計測試系統(tǒng)時，需求了解測試信號的頻率和幅 度，以及測試儀器、開關系統(tǒng)和 DUT 的輸入和輸出特 性。本運用指南所引見的降低噪聲技術適用于信號頻 率低于 300MHz，電壓低于 250V，電流低于 5A，以及 伏特赫茲乘積小于 107 的情況。假設沒有其它參照，不 引薦把這些處理方案外推到更高幅度或更高頻率。測試系統(tǒng)中的噪聲源 對測試工程師來說，了解系統(tǒng)中有害噪聲的來源 是極為重要的。一張設計規(guī)那么表能協(xié)助 降低有害噪聲， 但對于了解噪聲何處那么是很不夠的

4、。在公用于測 試電子模塊的電子測試系統(tǒng)中，呵斥噪聲的最重要原 因是傳導性耦合、公共阻抗耦合，以及電場和磁場。除 了這些噪聲源外，一些系統(tǒng)還對電流效應、熱偶噪 聲、電解效應、靜電效應和導體運動的噪聲感應。噪聲最容易耦合進電路的一種途徑是進入電路的 導體，它會產生傳導性耦合噪聲。經過喧嘩噪聲環(huán)境的 導體有拾取噪聲和傳送至其它電路的極好時機。接至 電路的電源線通常會呵斥電容性耦合噪聲。當電流從兩個不同電路經過公共阻抗時，就會產 生公共阻抗耦合。一個電路的地電壓受另一電路的影 響。對每一電路來說，其地電位受公共地阻抗中其它電 路地電流調制，從而導致噪聲耦合。只需有電荷運動或存在電位差，就會產生幅射磁

5、場和電場，電路中的高頻干擾能夠被檢波，而作為直流 誤差出現。開關系統(tǒng)電路對電臺、電視和其它無線廣播 的電磁輻射也很敏感。因此，有必要把敏感電路與這些 電磁場屏蔽。在測試系統(tǒng)環(huán)境中，仔細處置接地和屏蔽能實現 最準確的低電平信號丈量。這些噪聲降低技術同樣適 用于單點和多點系統(tǒng)。開關系統(tǒng)中的噪聲開關系統(tǒng)中的噪聲源包括內部開關驅動電路、開 關上的熱不平衡、系統(tǒng)其它導體的噪聲耦合，以及系統(tǒng) 外部產生的噪聲。可經過機械設計把繼電器一切觸點 置于一樣的溫度梯度，或運用鎖存繼電器，以把熱不平 衡減到最小。在運用鎖存繼電器時，改動繼電器形狀的 鼓勵時間只需 15-20ms。這就消除了線圈能量這一主 要熱源。相鄰

6、通道的噪聲被耦合至丈量通道，構成對 信號完好性的嚴重要挾。正確的屏蔽和接地技術可消 除硬線系統(tǒng)的大量此類問題，但當信號必需有選擇地 切換至示波器、計數器或某些其它丈量儀器時，問題就 變得非常鋒利。在許多情況下，噪聲主要系統(tǒng)中的相鄰通道串擾。在圖 2 的簡化等效電路中，可看到開關系統(tǒng)中 的大部份電容都跨開關觸點，和在相鄰的傳導途徑間。 由于噪聲耦合是面積和接近程度的函數，減少耦合的 簡一方法就是隔分開關和相互間的導體。但添加開關 密度也是想要實現的目的;從而能在更小的箱體中實現 更大的容量。況且今天的被測系統(tǒng)也越來越復雜，比過 去有更多的測試點。因此，測試工程師將處于同時添加 元件密度和通道間隔

7、 的兩難境地。 降低噪聲屏蔽和接地是降低有害噪聲的兩項主要方法。它 們經常一同運用，例如把電纜屏蔽接地。此時了解電纜 屏蔽應在何處接地，以得到最高的屏蔽效率是非常重 要的。在某些情況下，對一種噪聲問題的處理方案能夠 會降低其它噪聲問題處理方案的效率，必需很好了解 噪聲源，耦合方法和噪聲接納器，以在它們之間作出適 當的權衡。屏蔽 測試系統(tǒng)的噪聲屏蔽包括對電容性電和電感性磁耦合的屏蔽。對電容性耦合的屏蔽 測試系統(tǒng)通道間的電容性噪聲耦合由電路間的電 場交互呵斥，這易于了解，也易于進展屏蔽。圖 3 示 出一條導線至另一條導線的噪聲耦合是由導線間的電 容C12呵斥。對于負載電阻 R在大多數實踐情況 中，

8、R1/j (C12 + C2G)，噪聲電壓近似為： VN j RC12V1。這一公式闡明噪聲電壓與噪聲源的頻率和幅度、 電阻R及電容C12 成正比。假定已為噪聲源的改良做出 了最大努力，那么可改動的參數就只需 R 和 C12。 假設您能減小電容C12，就將減小耦合至導線的噪 聲電壓。當兩者間隔 到達導線直徑 40 倍時，物理隔離將實現大約 8dB 的噪聲降低。再加大間隔 的效 果就不明顯了。另一種方法是運用較低的阻值。但要求 的電路負載或阻抗失配能夠使這種方法并不可行。在信號線周圍使器具有一樣電場屏蔽分布均勻的接地屏蔽可把信號線上的噪聲電壓減小到零。但在 高頻時，導體不得超出屏蔽范圍。這對接地

9、的屏蔽是非 常重要的。假設屏蔽不接地，中心導體拾取的噪聲電壓 就等于導線1上的噪聲電壓。屏蔽僅僅是耦合了噪聲電 壓圖4。圖 5示出中心導線暴露于屏蔽定義范圍外時的同樣 電路它有有限的接地電阻。此時的噪聲電壓降低為：VN=jRC12V1由于電纜部分屏蔽降低了噪聲耦合，C12 已減小了 很多。但假設屏蔽不完好，那么 C12 中必需包括屏蔽空 洞的影響。作為小結，需求采用好的電場屏蔽，最小化超 出屏蔽范圍的中心導體長度和提供屏蔽的良好接 對電感性輻射的屏蔽電感性耦合比電容性耦合更難消除?，F實上，上面例子中的良好電場屏蔽對電感性耦合噪聲毫無影響。電感性耦合的一個重要來源是屏蔽與中心導體間的互感，它等于

10、屏蔽互感M=Ls。從圖6 中的電路圖和Ls= M的現實，我們能得到下面的關系式：VN?頻率圖上的3dB點定義為屏蔽的截止頻率c。 也可表示為 c = Rs/Ls。中心導體的噪聲電壓在直 流時為零，在 5 倍截止頻率時添加到約 VShield。 對磁輻射的屏蔽 屏蔽可用于防止從一條信號途徑經電感性耦合至 另一途徑的輻射。圖 7 示出一個圍繞導體的電場和磁 場。假設屏蔽在導體周圍的某一點接地，電場線會遭到 控制，但屏蔽對磁場卻沒有影響圖 7b。另一方面， 假設經過屏蔽的電流與中心導體中的電流大小相等而 方向相反，那么所產生的磁場將會被抵消圖 7c。對于在屏蔽電纜兩端接地的電路，屏蔽也必需在 兩端接

11、地，以防止磁輻射。這適用于屏蔽截止頻率以上 的頻率，由于屏蔽與中心導體間的互感提供比接地平 面更低的阻抗途徑。在該頻率以下，接地平面承載絕大 部分噪聲電流，屏蔽對于噪聲的包容并不有效。 假設電路僅在一端接地，那么屏蔽也應在同一端 接地。這樣能保證感應電流與中心導體及屏蔽中的電 流大小相等而方向相反。兩端接地將降低屏蔽的效率， 由于部分感應電流會經過接地平面。僅在一端接地的 屏蔽對低于屏蔽截止頻率的頻率是非常有效的。對磁接納的屏蔽 由于電感性噪聲正比于切割噪聲磁通的環(huán)路面積， 減小接納器環(huán)路面積就能最有效地維護電路，防止接 收磁場噪聲。接納器環(huán)路是接納器電路中電流環(huán)繞的 總面積，它包括電流前往源

12、的途徑。通常這一前往途徑 在設計中并未仔細思索，在測試過程中有能夠改動，造 成環(huán)路面積的變化。也很難予以矯正。第7頁中的圖 8a示出沒有屏蔽，但有大環(huán)路面積， 因此對磁接納非常敏感的接納器。在圖 8b 中添加了在 兩端接地，以減小環(huán)路面積。由于減小了環(huán)路面積，因 此能提供對磁場的一定維護，但屏蔽本身并沒有任何 磁屏蔽特性。在圖 8c 中，屏蔽防止在導體周圍，并僅 在一端接地，它并不改動環(huán)路面積，因此也不提供任何 磁屏蔽。在屏蔽的截止頻率以下，大部分前往電流將經過 接地平面，而不是經過屏蔽，即使是在兩端接地時。在 圖 8b 的較低頻率情況下，屏蔽并不能提供對磁場的保 護。不應運用這種電路有兩個理

13、由。首先是由于屏蔽也 是一個導體，屏蔽中的任何噪聲電流也會產生IR壓降， 在電路中即表現為噪聲電壓。其次是接地平面兩點間 所存在的任何地電位差也將在電路中產生噪聲電壓。 當在電路中運用屏蔽，并兩端接地時，由于地環(huán)路中會 感應大的噪聲電流，因此只能對低頻磁場起維護作用。 為對低頻感應噪聲作最大維護，屏蔽不應成為一個信 號導體，電路的一端必需與地隔離。 電纜比較 選擇正確的電纜類型也是重要的系統(tǒng)設計義務。 雙屏蔽電纜或三軸電纜的二個屏蔽是絕緣的，可提供 對噪聲耦合的最大維護。由于噪聲電流是流經外屏蔽， 而信號前往電流是流經內屏蔽，這兩個電流不會流過 產生噪聲耦合的公共阻抗。屏蔽在一點接地的同軸電

14、纜提供對電容性拾取的有效維護。在 1MHz 以上，同軸電纜屏蔽的集膚效應正模擬了三軸電纜，提供可與 其相比的性能，并且防止了三軸電纜的昂貴和粗笨。在 屏蔽靠外一方流過噪聲電流，而信號前往電流那么流過 屏蔽的靠內一方。同軸電纜的阻抗在DC至VHF30MHz-300MHz 頻率是相當一致的。對于直到幾百 kHz 的運用，應選 擇雙絞線兩條絞在一同，以減小環(huán)路面積的導線和 屏蔽雙絞線。在此頻率之上，這些電纜會出現信號損 耗，但在此頻率以下，屏蔽雙絞線的性能甚至能與三軸 電纜相比。除非是用于平衡電路，無屏蔽雙絞線對電容 性拾取的維護才干較差，但對磁拾取那么有好的噪聲抗 擾度。接地 假設在設計中能把接地

15、像系統(tǒng)其它部分那樣仔細 思索，適當的接地和屏蔽將能處理大部分噪聲問題。不 正確的接地能夠成為主要的噪聲源。接地系統(tǒng)的設計 目的是把流過公共接地阻抗的兩個或多個電路電流所 產生的噪聲電壓減到最小，以及防止呵斥對磁場敏感 的地環(huán)路和地電位差。雖然有許多要把電路接地的能夠理由，但兩個最 普通的理由是平安和為信號電壓提供等電位的參考點。 平安地可在儀器機箱與電網高壓間阻抗擊穿時提供對 地的低阻抗途徑，平安地一直為大地的電位。信號地可以是，也可以不是大地，可把信號地看作 電路或系統(tǒng)的等電位電路參考點，或是電流前往源的 低阻抗途徑。第一種定義是對理想化接地的經典解釋。 第二種定義強調 IR 壓降的現實，該

16、壓降在接地平面中 產生，并把噪聲耦合至信號導體?；谶m用緣由，大多數系統(tǒng)需求隔離系統(tǒng)不同部 件的接地前往。低電平信號地應與硬件地和噪聲地，如 繼電器地和馬達地隔離。例如在敏感系統(tǒng)中，要把信號 地分成低電平地和數字地，以防止較高電平和較高噪 聲的數字信號耦合進低電平線。假設整個系統(tǒng)由交流 電網配電，那么應把電源地接至機箱或硬件地。對于低電平，應一直運用一個地參考點。否那么任何 地電位差都將作為信號途徑中的噪聲出現。如圖 9 所 示，假設儀器的低端接地Z2=0，那么 Ecm 將直接跨Rb，而與輸入信號相串聯。把儀器的低端浮置，即把 Z2 添加到一個很大的阻值，以構成一個分壓器，從而 把丈量途徑中的

17、噪聲按大約 Rb/Z2 的要素降低。一點接地系統(tǒng) 信號接地可以為一點接地或多點接地。系統(tǒng)中的 一點接地能經串聯或并聯銜接。對于噪聲耦合，最差的 接地方案是串聯接地，但這也是最廉價和最簡單的接 線方法。因此運用面也最廣。對于非關鍵性的運用，串 聯接地有能夠得到稱心的結果。但最重要的電路應最 接近主要接地點。圖 10 示出串聯接地銜接；電路 1 應 是最關鍵的電路。并聯接地如第 9 頁的圖 11 所示，這是低頻時的最 好配置。它消除了流過不同電路地電流的交叉耦合。但 這種方案的接線和運用都比較費事。 在高頻時，并聯的單點銜接是極受限制的，緣由在 于接地導體的阻抗添加了接地阻抗，從而在接地線間產 生

18、電容性耦合。隨著頻率的添加，情況將變得更壞，接 地線會成為天線，并輻射噪聲。作為規(guī)那么，接地線應 堅持短于波長的1/20，以防止輻射和堅持低阻抗。 多點接地系統(tǒng) 高頻運用應運用多點接地系統(tǒng)。在多點接地系統(tǒng) 中，一切電路的全部接地電流都流過公共的地阻 抗，如圖 12 所示。通常要把電路接到最近的低阻抗接 地平面，普通為系統(tǒng)的機箱。接地平面的低阻抗由于有 較小的電感，至接地平面的銜接必需盡能夠短，以把電 路和地之間的阻抗減到最小。 普通情況下，低于 1MHz 時應首選單點接地系統(tǒng)；10MHz以上時多點接地為最正確。對于1MHz至10MHz， 也可運用單點接地系統(tǒng)，只需最長接地前往的長度短 于波長的

19、 1/20。假設做不到，那么應運用多點接地。接地電纜和銜接器的屏蔽為最小化屏蔽中的噪聲電流，在低頻下的信號電 路有一個接地點時，屏蔽電纜應只在一點接地。假好像 軸電纜接到一個以上的接地點，屏蔽中噪聲呵斥的 IR 壓降將耦合至信號導體。對于屏蔽雙絞線，能夠會把不 相等的噪聲電壓經電感性耦合進入信號電纜，從而在 這里產生噪聲。必需仔細選擇一個接地點。假設只需源是接地的圖 13，那么電纜屏蔽應只接到源的公共端，即使該 點不是大地。 HYPERLINK img.blog.163/photo/cQomiMMfAnCxTTjWd3Qusw=/2570429487321997978.jpg t _blank

20、 而假設負載接地圖 14，那么電纜屏蔽應只接到 負載的公共端，即使該點不是大地。 HYPERLINK img.blog.163/photo/hA4conXs8aWjQ3yPqnitCA=/4299811744232379547.jpg t _blank 當信號電路為兩端接地圖 15時，只能夠有 限地降低噪聲。屏蔽的兩端接地將呵斥一些地環(huán)路電 流流過屏蔽，而不是信號線。假設需求采取其它降低噪 聲的措施，可斷開由源和負載接地所構成的地環(huán)路。您 能用變壓器或其它隔離器件實現。 隔離地環(huán)當電路兩端接地時，就構成了地環(huán)路圖 16a。 可運用隔離變壓器斷開喧嘩環(huán)境中的地環(huán)路 圖16b。在必需堅持直流途徑的

21、情況下，可用縱向抗流 圈僅抑制更高頻率環(huán)路圖 16c。同樣可用光隔離器件斷開地環(huán)路降低地環(huán)路噪聲影響的其它方法是直接運用丈量 接納器放大器?？膳渲媒蛹{器，用平衡輸入最小化地環(huán) 路噪聲的影響。采用圍繞放大器的地屏蔽甚至能得到 更好的低頻噪聲抑制。高頻時的屏蔽接地 1MHz以上高頻的屏蔽接地需求一個以上的接地 銜接，以保證屏蔽堅持在地電位。此外，屏蔽與接地平 面間的電容性耦合構成高頻地環(huán)路，使不接地端的隔 離非常困難，甚至是不能夠的。高頻時通常應把屏蔽的 兩端接地。為保證高頻時長電纜的良好接地，常用做法 是屏蔽在每 1/10 波優(yōu)點接地。每 1/10 波優(yōu)點把一 個小電容器接地的混合接地提供直流的單點接地和高 頻的多點接地。其性能也能可靠地予以表征。經過銜接器堅持信號完好性 只需有能夠，就應經過銜接器貫穿信號及其屏蔽。 在屏蔽的堅持和隔離，以及堅持電纜阻抗上，絕緣的 BNC 銜接器就是近乎理想銜接器的一個例子。在需求較高密度銜接器的測試系統(tǒng)中，有些銜接 器是不適用的。這里的高電平和低電平信號應經過不 同的銜接器。假設必需經過同一銜接器，那么應盡能夠遠 離，并把