设计用于测试电子或机电装置的开关系统

1、.：.；设计用于测试电子或机电安装的开关系统，就像 设计那些安装本身一样，会存在许多问题。现代测试系 统有许多用于鼓励或丈量 DUT 的信号线和电源线，以 及用于自动衔接的各种开关。因此在一个多点开关系 统中，鼓励、电源和其它信号的交互作用能够会产生对 丈量的噪声和干扰。噪声问题只需三个组成部分。噪声问题必然存在 一个噪声源，它耦合至对噪声敏感的接纳器。为处理噪 声问题，首先要确定噪声源，然后要确定噪声接纳点， 最后是确定噪声的耦合方法。这并非奥秘莫测的过程， 而是有需可靠遵照的物理规那么。有时源和耦合方法可 能非常微妙，但绝不会违反根本规那么。通常，工程师会在设计一个系统至另一系统的信 号途

2、径上花大量精神，但往往忽视前往途径。正确设计 的系统应有经定义的信号途径和前往途径，需求用这 两者建立任务系统。假设在设计中忽略前往途径，跟踪 噪声问题的义务将是极为困难的。前往途径的不良设 计能够改动系统其它部分。改动的前往途径能够表现 为间歇性的问题，出现难以了解的有害噪声。图 1 示出通用的测试系统体系构造。开关是整个 系统的中心，它把许多测试点接到丈量仪器，提供信号 路由和为 DUT 加电。但它也是许多，有时是无法阐明 的丈量误差来源，相近的许多互连提供了噪声耦合的 大量时机。 需求测试安装中出现的较高速逻辑，它与更灵敏 的模拟电路一同，要求对开关系统作精心的设计和实 现，以降低噪声和

3、坚持信号完好性。这是为需求构建测试系统的工程师编写的运用指 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，需求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。本运用指南所引见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。假设没有其它参照，不 引荐把这些处理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。一张设计规那么表能协助 降低有害噪声， 但对于了解噪声何处那么是很不够的

4、。在公用于测 试电子模块的电子测试系统中，呵斥噪声的最重要原 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。经过喧哗噪声环境的 导体有拾取噪声和传送至其它电路的极好时机。接至 电路的电源线通常会呵斥电容性耦合噪声。当电流从两个不同电路经过公共阻抗时，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。只需有电荷运动或存在电位差，就会产生幅射磁

5、场和电场，电路中的高频干扰能够被检波，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，仔细处置接地和屏蔽能实现 最准确的低电平信号丈量。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。可经过机械设计把继电器一切触点 置于一样的温度梯度，或运用锁存继电器，以把热不平 衡减到最小。在运用锁存继电器时，改动继电器形状的 鼓励时间只需 15-20ms。这就消除了线圈能量这一主 要热源。相邻

6、通道的噪声被耦合至丈量通道，构成对 信号完好性的严重要挟。正确的屏蔽和接地技术可消 除硬线系统的大量此类问题，但当信号必需有选择地 切换至示波器、计数器或某些其它丈量仪器时，问题就 变得非常锋利。在许多情况下，噪声主要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，和在相邻的传导途径间。 由于噪声耦合是面积和接近程度的函数，减少耦合的 简一方法就是隔分开关和相互间的导体。但添加开关 密度也是想要实现的目的;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添加 元件密度和通道间隔

7、 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 们经常一同运用，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，对一种噪声问题的处理方案能够 会降低其它噪声问题处理方案的效率，必需很好了解 噪声源，耦合方法和噪声接纳器，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 场交互呵斥，这易于了解，也易于进展屏蔽。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呵斥。对于负载电阻 R在大多数实践情况 中，

8、R1/j (C12 + C2G)，噪声电压近似为： VN j RC12V1。这一公式阐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良做出 了最大努力，那么可改动的参数就只需 R 和 C12。 假设您能减小电容C12，就将减小耦合至导线的噪 声电压。当两者间隔 到达导线直径 40 倍时，物理隔离将实现大约 8dB 的噪声降低。再加大间隔 的效 果就不明显了。另一种方法是运用较低的阻值。但要求 的电路负载或阻抗失配能够使这种方法并不可行。在信号线周围使器具有一样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

9、的屏蔽是非 常重要的。假设屏蔽不接地，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=jRC12V1由于电缆部分屏蔽降低了噪声耦合，C12 已减小了 很多。但假设屏蔽不完好，那么 C12 中必需包括屏蔽空 洞的影响。作为小结，需求采用好的电场屏蔽，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。现实上，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

10、屏蔽互感M=Ls。从图6 中的电路图和Ls= M的现实，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c。 也可表示为 c = Rs/Ls。中心导体的噪声电压在直 流时为零，在 5 倍截止频率时添加到约 VShield。 对磁辐射的屏蔽 屏蔽可用于防止从一条信号途径经电感性耦合至 另一途径的辐射。图 7 示出一个围绕导体的电场和磁 场。假设屏蔽在导体周围的某一点接地，电场线会遭到 控制，但屏蔽对磁场却没有影响图 7b。另一方面， 假设经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，屏蔽也必需在 两端接

11、地，以防止磁辐射。这适用于屏蔽截止频率以上 的频率，由于屏蔽与中心导体间的互感提供比接地平 面更低的阻抗途径。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。 假设电路仅在一端接地，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， 由于部分感应电流会经过接地平面。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。对磁接纳的屏蔽 由于电感性噪声正比于切割噪声磁通的环路面积， 减小接纳器环路面积就能最有效地维护电路，防止接 收磁场噪声。接纳器环路是接纳器电路中电流环绕的 总面积，它包括电流前往源

12、的途径。通常这一前往途径 在设计中并未仔细思索，在测试过程中有能够改动，造 成环路面积的变化。也很难予以矫正。第7页中的图 8a示出没有屏蔽，但有大环路面积， 因此对磁接纳非常敏感的接纳器。在图 8b 中添加了在 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维护，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，它并不改动环路面积，因此也不提供任何 磁屏蔽。在屏蔽的截止频率以下，大部分前往电流将经过 接地平面，而不是经过屏蔽，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。不应运用这种电路有两个理

13、由。首先是由于屏蔽也 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。 当在电路中运用屏蔽，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维护作用。 为对低频感应噪声作最大维护，屏蔽不应成为一个信 号导体，电路的一端必需与地隔离。 电缆比较 选择正确的电缆类型也是重要的系统设计义务。 双屏蔽电缆或三轴电缆的二个屏蔽是绝缘的，可提供 对噪声耦合的最大维护。由于噪声电流是流经外屏蔽， 而信号前往电流是流经内屏蔽，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

14、缆提供对电容性拾取的有效维护。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，并且防止了三轴电缆的昂贵和粗笨。在 屏蔽靠外一方流过噪声电流，而信号前往电流那么流过 屏蔽的靠内一方。同轴电缆的阻抗在DC至VHF30MHz-300MHz 频率是相当一致的。对于直到几百 kHz 的运用，应选 择双绞线两条绞在一同，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 性拾取的维护才干较差，但对磁拾取那么有好的噪声抗 扰度。接地 假设在设计中能把接地

15、像系统其它部分那样仔细 思索，适当的接地和屏蔽将能处理大部分噪声问题。不 正确的接地能够成为主要的噪声源。接地系统的设计 目的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，以及防止呵斥对磁场敏感 的地环路和地电位差。虽然有许多要把电路接地的能够理由，但两个最 普通的理由是平安和为信号电压提供等电位的参考点。 平安地可在仪器机箱与电网高压间阻抗击穿时提供对 地的低阻抗途径，平安地一直为大地的电位。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，或是电流前往源的 低阻抗途径。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 压降的现实，该

16、压降在接地平面中 产生，并把噪声耦合至信号导体。基于适用缘由，大多数系统需求隔离系统不同部 件的接地前往。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。假设整个系统由交流 电网配电，那么应把电源地接至机箱或硬件地。对于低电平，应一直运用一个地参考点。否那么任何 地电位差都将作为信号途径中的噪声出现。如图 9 所 示，假设仪器的低端接地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 添加到一个很大的阻值，以构成一个分压器，从而 把丈量途径中的

17、噪声按大约 Rb/Z2 的要素降低。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衔接。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。因此运用面也最广。对于非关键性的运用，串 联接地有能够得到称心的结果。但最重要的电路应最 接近主要接地点。图 10 示出串联接地衔接；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 这种方案的接线和运用都比较费事。 在高频时，并联的单点衔接是极受限制的，缘由在 于接地导体的阻抗添加了接地阻抗，从而在接地线间产 生

18、电容性耦合。随着频率的添加，情况将变得更坏，接 地线会成为天线，并辐射噪声。作为规那么，接地线应 坚持短于波长的1/20，以防止辐射和坚持低阻抗。 多点接地系统 高频运用应运用多点接地系统。在多点接地系统 中，一切电路的全部接地电流都流过公共的地阻 抗，如图 12 所示。通常要把电路接到最近的低阻抗接 地平面，普通为系统的机箱。接地平面的低阻抗由于有 较小的电感，至接地平面的衔接必需尽能够短，以把电 路和地之间的阻抗减到最小。 普通情况下，低于 1MHz 时应首选单点接地系统；10MHz以上时多点接地为最正确。对于1MHz至10MHz， 也可运用单点接地系统，只需最长接地前往的长度短 于波长的

19、 1/20。假设做不到，那么应运用多点接地。接地电缆和衔接器的屏蔽为最小化屏蔽中的噪声电流，在低频下的信号电 路有一个接地点时，屏蔽电缆应只在一点接地。假好像 轴电缆接到一个以上的接地点，屏蔽中噪声呵斥的 IR 压降将耦合至信号导体。对于屏蔽双绞线，能够会把不 相等的噪声电压经电感性耦合进入信号电缆，从而在 这里产生噪声。必需仔细选择一个接地点。假设只需源是接地的图 13，那么电缆屏蔽应只接到源的公共端，即使该 点不是大地。 HYPERLINK img.blog.163/photo/cQomiMMfAnCxTTjWd3Qusw=/2570429487321997978.jpg t _blank

20、 而假设负载接地图 14，那么电缆屏蔽应只接到 负载的公共端，即使该点不是大地。 HYPERLINK img.blog.163/photo/hA4conXs8aWjQ3yPqnitCA=/4299811744232379547.jpg t _blank 当信号电路为两端接地图 15时，只能够有 限地降低噪声。屏蔽的两端接地将呵斥一些地环路电 流流过屏蔽，而不是信号线。假设需求采取其它降低噪 声的措施，可断开由源和负载接地所构成的地环路。您 能用变压器或其它隔离器件实现。 隔离地环当电路两端接地时，就构成了地环路图 16a。 可运用隔离变压器断开喧哗环境中的地环路 图16b。在必需坚持直流途径的

21、情况下，可用纵向抗流 圈仅抑制更高频率环路图 16c。同样可用光隔离器件断开地环路降低地环路噪声影响的其它方法是直接运用丈量 接纳器放大器。可配置接纳器，用平衡输入最小化地环 路噪声的影响。采用围绕放大器的地屏蔽甚至能得到 更好的低频噪声抑制。高频时的屏蔽接地 1MHz以上高频的屏蔽接地需求一个以上的接地 衔接，以保证屏蔽坚持在地电位。此外，屏蔽与接地平 面间的电容性耦合构成高频地环路，使不接地端的隔 离非常困难，甚至是不能够的。高频时通常应把屏蔽的 两端接地。为保证高频时长电缆的良好接地，常用做法 是屏蔽在每 1/10 波优点接地。每 1/10 波优点把一 个小电容器接地的混合接地提供直流的单点接地和高 频的多点接地。其性能也能可靠地予以表征。经过衔接器坚持信号完好性 只需有能够，就应经过衔接器贯穿信号及其屏蔽。 在屏蔽的坚持和隔离，以及坚持电缆阻抗上，绝缘的 BNC 衔接器就是近乎理想衔接器的一个例子。在需求较高密度衔接器的测试系统中，有些衔接 器是不适用的。这里的高电平和低电平信号应经过不 同的衔接器。假设必需经过同一衔接器，那么应尽能够远 离，并把