如何降低測試系統(tǒng)開關(guān)噪聲
為測試電子和機電器件設(shè)計開關(guān)系統(tǒng)所遇到的問題和設(shè)計產(chǎn)品本身一樣多。隨著器件中高速邏輯的出現(xiàn)以及與更靈敏模擬電路的連接，使得降低測試開關(guān)系統(tǒng)中的噪聲比以前任何時候更加重要。
本文所述的噪聲降低技術(shù)準(zhǔn)則是針對信號頻率低于300MHz、電壓低于250V、電流小于5A和電壓乘赫茲積小于107。
任何新式測試系統(tǒng)都用很多信號和電源線來仿真和測量DUT(待測器件)，并有各種各樣的開關(guān)進行自動連接。通用測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示于圖1?？刂瓶偩€示于圖中左邊。模擬、數(shù)字和電源總線作為垂直線對示于不同子系統(tǒng)后面。
開關(guān)是整個系統(tǒng)的中心，互連很多測試點到測量儀器和路由信號、電源到DUT。幾乎所有模擬和數(shù)字信號以及電源通過開關(guān)系統(tǒng)。
如果設(shè)計不注意，開關(guān)系統(tǒng)可能是測量誤差之源。有時是莫明其妙的誤差。其原因是簡單的，很多的互連通常彼此緊靠著，這為噪聲耦合提供足夠的機會。每個噪聲問題都有一個噪聲源，以某種形式耦合到接收機，依次對噪聲敏感。
解決噪聲問題有3個步驟
至于開關(guān)系統(tǒng)中的內(nèi)部噪聲源可由下列原因產(chǎn)生：驅(qū)動開關(guān)的電路，開關(guān)上的熱不穩(wěn)定性，來自系統(tǒng)中其他導(dǎo)體的耦合噪聲和系統(tǒng)外部所產(chǎn)生的噪聲。
來自鄰?fù)ǖ赖脑肼曬詈系綔y量通道，對信號完整性是一個威脅。耦合噪聲的最重要的原因是電導(dǎo)耦合，共阻抗耦合以及電場和磁場。
另外，某些系統(tǒng)對來自電動作、熱耦噪聲、電解動作，熱電效應(yīng)和導(dǎo)體運動引起的噪聲敏感。開關(guān)系統(tǒng)電路也對來自無線電、電視和其他無線廣播的電磁輻射敏感。
用機械設(shè)計可使熱不穩(wěn)定性最小，保證繼電器中的所有接觸點得到在引腳線中相同的溫度梯度，或用閉鎖繼電器使熱穩(wěn)定度最小，只要有可能，就采用閉鎖繼電器，閉鎖繼電器繞組被激勵只是瞬時，通常15~20ms使繼電器觸點傳輸和閉鎖。從而使熱產(chǎn)生源減少，而對于采用非閉鎖電樞繼電器來講，這是主要的熱產(chǎn)生源。
適當(dāng)?shù)仄帘魏徒拥丶夹g(shù)可有效地解決硬連線系統(tǒng)中的很多噪聲耦合問題。但是，當(dāng)信號必須選擇開關(guān)到示波器、計數(shù)器或其他測量儀器時，問題變得嚴重了。
很多情況下，噪聲源是系統(tǒng)中的鄰?fù)ǖ来當(dāng)_。在簡化的等效電路(圖2)中，開關(guān)系統(tǒng)中的大多數(shù)寄生電容跨接在斷開觸點和鄰近導(dǎo)通通路之間。如同任何電容那樣，噪聲耦合是面積和距離的函數(shù)。所以，降低耦合的簡單方法是開關(guān)和導(dǎo)線彼此之間的分離。
但是，希望增加開關(guān)密度，在一個較小的封裝內(nèi)能提供更多能力。當(dāng)今被測系統(tǒng)趨于更復(fù)雜和具有更多的點線。所以，測試工程師面對增加元件密度和同時增加通道間距離的困難。
在某種情況下，對一個噪聲問題的解決方案，對待不同的噪聲問題可能會降低方案的有效性。必須很好的了解噪聲源、耦合方法和噪聲接收器，以便對這些因素做適當(dāng)?shù)恼壑钥紤]。
根據(jù)經(jīng)驗，導(dǎo)線直徑40倍的物理分離距離將衰減噪聲8dB左右。導(dǎo)線間更大的分離幾乎沒有影響。
樹形開關(guān)
樹形開關(guān)分離彼此的開關(guān)列，這對于降低大系統(tǒng)中雜散斷開開關(guān)電容是相當(dāng)有效的，這種雜散電容是連接系統(tǒng)中未用并聯(lián)繼電器所引起的。如圖2所示，樹形開關(guān)置在左邊H、L、G線和左邊16通道的3列之間。引入的繼電器與輸入繼電器串聯(lián)可降低這種雜散電容。
對于16通道多路開關(guān)，這種串聯(lián)開關(guān)配置能有效地降低測量電路的雜散電容。這使串?dāng)_小、測量建立時間快。
T形開關(guān)
T形開關(guān)是把所有未用通道與測量總線隔離，用低電容通路到地。這種隔離是在單導(dǎo)線上實現(xiàn)的，在信號通路中插入2個另外的接點。結(jié)果在高頻具有良好的通道間信號隔離。
T形開關(guān)原理說明示于圖3。圖中所示上面的源VN與負載電阻斷開，這是因為開關(guān)A和B是新斷開的，開關(guān)C是閉合的。因此，開關(guān)的T部分有效地并接到地。然而，在另一個位置具有相應(yīng)觸點的下部源VS連接到負載R2。
降低開關(guān)電容和耦合噪聲的另一方法是使開關(guān)和開關(guān)觸點間隙大或使觸點面積特別小。例如，Agilent 876A同軸SPDT開關(guān)在其開關(guān)動作中利用非常長的接入。這使斷開觸點間隙最大。此開關(guān)是封裝在精密的金屬殼中，以保證大于18GHz的信號完整性。
最佳化接地
應(yīng)同樣重視系統(tǒng)其余部分的設(shè)計，接地和屏蔽可解決大部分的噪聲問題。不合理的接地可能是主要的噪聲源。一個有效的接地系統(tǒng)必須使從兩個或多個電路流經(jīng)公共地阻抗的電流所產(chǎn)生的噪聲電壓最小，并避免生成對磁場和地電位差敏感的地環(huán)路。
盡管接地有很多可能的原因，但兩個最普通的原因是提供安全和為信號電壓提供一個等電位基準(zhǔn)。提供安全地，使得儀器機箱之間的阻抗破壞和電源線的高壓線經(jīng)低阻抗通路到地。這樣的地總是在零電壓電位。信號地可以或不是在零電壓而可以認為是電路或系統(tǒng)的等電位電路基準(zhǔn)點，或電流返回到源的低阻抗通路。
首先，確定是理想地的標(biāo)準(zhǔn)說明。第二強調(diào)IR壓降的事實，這可發(fā)生在地平板內(nèi)并耦合噪聲進入信號導(dǎo)線。
設(shè)計合理的系統(tǒng)將具有信號通路和確定的返回通路，因為這兩個通路對于工作系統(tǒng)是基本的。但是，往往忽略了返回通路。
設(shè)計不好的返回通路可改變依賴關(guān)系。改變返回通路可出現(xiàn)間斷問題，并產(chǎn)生不希望噪聲。
在大多數(shù)系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)的不同元件需要分離地返回通路。低電平信號地應(yīng)該與硬件地和有噪聲的地(如繼電器和馬達地)分離。在敏感系統(tǒng)中，分離信號地為低電平和數(shù)字地，避免較高電平，較多噪聲的數(shù)字信號耦合到低電平信號線。
若AC電源分布在整個系統(tǒng)，則電源地應(yīng)該連接到扣殼或硬件地。單地基準(zhǔn)點應(yīng)該用于低電平工作。另外，地電平的任何差別將在信號通路中呈現(xiàn)出噪聲。
如圖4所示，若儀器的低端接地(Z2=0)，則ECM直接跨接在Rb，它是與輸入信號串聯(lián)，然而，浮置的儀器低端(見圖4)使Z2增加到較大的值，并構(gòu)成電壓分壓器，這可降低測量通路噪聲大約Rb/Z2倍。
單點地系統(tǒng)
單地不是單點就是多點。單點地可以并聯(lián)或串聯(lián)。為了避免噪聲耦合，最合乎需求的接地方法是串聯(lián)地。這也是最便宜和最容易連線的，所以最廣泛采用。
對于非關(guān)鍵性應(yīng)用，串聯(lián)地工作令人滿意。最關(guān)鍵性電路應(yīng)放置在最靠近主地點。
在高頻，限制并聯(lián)單點連接地采用。地導(dǎo)線電感增加地阻抗，而幾個并聯(lián)地導(dǎo)線會引起它們之間的電容耦合。隨著頻率的增高，情況會更加嚴重，在足夠高的高頻，接地線將如同天線并幅射噪聲。通常，接地線的長度應(yīng)小于波長的1/20，以避免幅射和保持低阻抗。
多點地系統(tǒng)
多點地系統(tǒng)用在高頻，在多點地系統(tǒng)中，來自所有電路的所有地電流流經(jīng)公共地阻抗。通常，連接電路到最近的可用的低阻抗地平板，這往往是系統(tǒng)機殼。
地平板的低阻抗是由于它的較低的電感所致。到地平板的連接必須盡可能短以使電路和地之間的阻抗最小。
頻率低于1MHz，通常單點地系統(tǒng)是較好的；10MHz以上，多點地系統(tǒng)是最好的。對于1~10MHz，若最長的地返回長度小于波長的1/20，則可采用單點地系統(tǒng)。假若這是不可能的，則應(yīng)該采用多點地系統(tǒng)。
纜線比較
選擇合適的纜線類型是一個主要的系統(tǒng)設(shè)計功能，在兩個屏蔽間具有絕緣的雙屏蔽同軸電纜或3線電纜，能提供抗噪聲耦合的最大保護。因為噪聲電流流經(jīng)外層屏蔽，信號返回電流流經(jīng)內(nèi)層屏蔽，這使得兩個電流不流經(jīng)一個公共阻抗，并不產(chǎn)生噪聲耦合。
帶屏蔽地的同軸電纜在1個點，能提供對電容拾取噪聲的真正有價值的保護。在1MHz以上，沿同軸纜屏蔽表面的趨膚效應(yīng)勢必會在影響噪聲電流流經(jīng)屏蔽外部，信號返回電流將流經(jīng)屏蔽內(nèi)部。在DC-VHF頻率(30MHz~300MHz)，同軸電纜的阻抗比較一致。
雙絞線和屏蔽雙絞線適合于幾百KHz的應(yīng)用。然而，幾百KHz以上，這類電纜易于信號損失。屏蔽雙絞線在較低頻率，其性能可與同軸電纜相比。除非同在平衡電路中，非屏蔽雙絞線抗電容拾取噪聲的能力較弱。然而，它對磁拾取具有有效的抗噪聲度。
保持經(jīng)過連接器的信號完整性
只要有可能，應(yīng)該保持信號及其屏蔽能經(jīng)過連接器。隔離的BNC連接器近乎理想，因為為屏蔽是連續(xù)的保持電纜隔離和阻抗。
但是，這樣的連接器在測試系統(tǒng)中往往是不現(xiàn)實的，因為測試系統(tǒng)需要較高密度的連接器。在這種情況下，高電平和低電平信號應(yīng)該經(jīng)分離連接器運行。若它們必須經(jīng)同一連接器運行，則它們放置在相隔盡可能遠處，用接地線放置在它們之間以增強隔離。
通過分離引腳的連接器，必須保持屏蔽。連接所有的屏蔽到單引腳或連接器外殼會形成地環(huán)路并使屏蔽電流流經(jīng)個別屏蔽之間。
纜線線束和連接器準(zhǔn)則
DUT和開關(guān)系統(tǒng)之間的接口為噪聲進入測試系統(tǒng)提供方便通路。為避免此問題應(yīng)遵從下列準(zhǔn)則：
纜線線束
高電平和低電平引線不應(yīng)共享同一纜線線束。
在系統(tǒng)中不應(yīng)該破壞屏蔽的完整性。
對于低頻，應(yīng)該隔離屏蔽以避免在系統(tǒng)其地點接地。
連接器
在連接器中應(yīng)該分離高電平和低電平引線。
接地線應(yīng)該盡可能放置在信號引線之間。
任何未用的連接器引腳應(yīng)放置在信號引線之間，并應(yīng)接地。
每個纜線屏蔽應(yīng)有自身的連接器引腳通過電接器。
結(jié)語
在測試系統(tǒng)中為了得到精確的測量，保持信號完整性是極其重要的。最好的方法是抑制噪聲和保持噪聲耦合最小。根據(jù)DUT、測試儀器，開關(guān)和其他元件及連接器的輸入和輸出特性，仔細關(guān)注合適的接地和屏蔽可以做到這點。
對于當(dāng)今高性能系統(tǒng)，小的誤差可能導(dǎo)致顯著的噪聲。適中的頻率和幅度是相當(dāng)容易路由和測量的，但必須注意避免地環(huán)路。對于高頻和低電平信號需要特別注意開關(guān)類型和開關(guān)配置，以保持整個系統(tǒng)中信號完整性。
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