關(guān)鍵字：測(cè)試系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)構(gòu)造

測(cè)試系統(tǒng)往往用少量的儀器測(cè)量大量信號(hào)。這種設(shè)計(jì)方法制約成本，而且限制測(cè)試吞吐量。相反，如果系統(tǒng)具有測(cè)試的所有信號(hào)和足夠的儀器，雖然能較快地提高吞吐量，但通常是成本高而不合算。

低成本測(cè)試系統(tǒng)的傳統(tǒng)辦法是在幾個(gè)信號(hào)間開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換一個(gè)數(shù)字電壓表(DVM)。若只包含兩個(gè)信號(hào)，則連接DVM用一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)(SPDT)，單刀連接其兩個(gè)信號(hào)之一。若必須開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換信號(hào)的高和低端，則雙刀雙擲(DPDT)配置是適合的。對(duì)于4個(gè)信號(hào)，可用雙刀4擲(DP4T)開(kāi)關(guān)。

應(yīng)用也存在超過(guò)2刀以上的情況。例如，4PDT(4刀雙擲)開(kāi)關(guān)可支持對(duì)兩個(gè)元件的4線或kelvin連接歐姆測(cè)量。一個(gè)6PDT開(kāi)關(guān)可提供驅(qū)動(dòng)保護(hù)和4線歐姆測(cè)量。當(dāng)然，這類開(kāi)關(guān)術(shù)語(yǔ)可以無(wú)限地?cái)U(kuò)展。

從類似的刀和擲概念描述多路復(fù)用器，表示為n×m，其中n為刀數(shù)、m為擲數(shù)。某些供應(yīng)商把單刀8路多路復(fù)用器表示為1×8，而另一些供應(yīng)商稱之為8×1。多路復(fù)用器中，所有刀通常都接通在一起。例如，一個(gè)2×8多路復(fù)用器可用來(lái)接通8個(gè)差分信號(hào)中的一個(gè)到一個(gè)差分電壓表。

同樣的n×m表示用來(lái)描述開(kāi)關(guān)矩陣，但在實(shí)際的矩陣中，n行中的任一行可以連接到m列中的任一列。例如，一個(gè)2×8矩陣可以同時(shí)連接到的任一行或兩行到列的任一列。若希望此矩陣可做為差分多路復(fù)用器，因包含大量的開(kāi)關(guān)使其性能變壞、成本較高。

通常開(kāi)關(guān)矩陣用于接通多輸入通道中的多個(gè)儀器。圖1示出列基矩陣開(kāi)關(guān)儀器、源和DUT(通道1),DMM測(cè)量電壓。同時(shí)，不用的輸入都接地。在這種配置中，矩陣行的作用如同總線連接在一起的列組。

在行基的配置中，測(cè)試儀器和源是配置在不同的行中，列專門配置DUT。可以選擇任何的行和列組合。重要的是正確地編程開(kāi)關(guān)以防短路。有些情況用閉鎖矩陣可以避免矩陣增加成本。這些矩陣只允許一行連接到一個(gè)特定的列。根據(jù)所需的開(kāi)關(guān)靈活性，可以組合少數(shù)多路復(fù)用器構(gòu)成稀疏矩陣，它只支持所有可能行一列組合的一個(gè)子集。

行和列接通順序也是重要的。通常，用先開(kāi)后合開(kāi)關(guān)來(lái)確保瞬時(shí)短路不會(huì)發(fā)生在不兼容信號(hào)間。在開(kāi)發(fā)測(cè)試程序時(shí)，開(kāi)關(guān)配置軟件可以監(jiān)控編程的儀器，在連接損壞時(shí)禁止開(kāi)關(guān)變化。測(cè)試編程人員的責(zé)任是矩陣的應(yīng)用，使測(cè)試系統(tǒng)和DUT安全。

RF測(cè)試實(shí)例

RF無(wú)線電 IF(中頻)抑制測(cè)量的簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)示于圖2。FM信號(hào)功率和載波頻率都受控制。測(cè)量跨接在4歐姆負(fù)載(模擬揚(yáng)聲器)上的無(wú)線電音頻輸出。測(cè)量?jī)x器(圖中未示出)直接連接到無(wú)線電輸入和輸出。

RF信號(hào)和無(wú)線電都調(diào)諧到90.1MHz。在測(cè)試的第一部分，-3dB限制靈敏度測(cè)量，RF功率從參考電平減少到音頻輸出降到3dB為止。后面用該RF功率電平計(jì)算無(wú)線電IF抑制。

其次，信號(hào)載波頻率降到10.7MHz，但無(wú)線電保持調(diào)諧到90.1MHz。監(jiān)控?zé)o線電輸出電平隨RF信號(hào)功率電平增加的情況。

多路復(fù)用器

NI公司的PXI-2593開(kāi)關(guān)模塊，可用于無(wú)端接的配置，如四3×1,雙8×1或單16或17×1多路復(fù)用器。增加外部50歐姆終端可支持500MHz以上高頻信號(hào)用的雙4×1或單8×1端接多路復(fù)用器。這種配置的詳圖示于圖3。

一般，完整的開(kāi)關(guān)模塊表征參量是隔離、返回?fù)p耗和插入損耗。實(shí)際中，用向量網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量模塊或個(gè)別繼電器的性能，能很快地提供完整的S參量信息?？蓮腟參量推導(dǎo)出隔離和損耗量。

往往要做一定的簡(jiǎn)化。例如，一個(gè)繼電器從輸入或輸出看，物理上是相同的，則從輸出到輸入傳輸S12和從輸入到輸出傳輸S21將是相等的或非常接近于相等。

在無(wú)線電測(cè)試裝置中，500MHz開(kāi)關(guān)性能指標(biāo)大大超過(guò)90.1MHz最高信號(hào)頻率。然而，對(duì)于RF應(yīng)用，帶寬的開(kāi)關(guān)性能指標(biāo)才是關(guān)鍵。例如，開(kāi)關(guān)如何良好地與測(cè)試系統(tǒng)的50歐姆特性阻抗匹配？不好的匹配等效于大的電壓駐波比(VSWR)，這會(huì)導(dǎo)致駐比圖形反射和失真的測(cè)試信號(hào)。

PXI-2593的VSWR(DC到200MHz)保證小于1.4：1。其典型性能圖示出，VSWR僅大于1.1:1。VSWR=(1＋|Г|)/(1-|Г|),式中1Г1是反射系數(shù)值。對(duì)于這些VSWR限制，其相應(yīng)的輸入反射系數(shù)范圍是0.167~0.048,或17%~5%左右。

往往標(biāo)出返回?fù)p耗而不是反射系數(shù)。返回?fù)p耗＝-20log(|Г|),對(duì)于無(wú)線測(cè)試?yán)?，它?5.5dB~26.4dB。此值越大，意味著通過(guò)開(kāi)關(guān)的功率與反射功率之比就越大。換言之，較大的返回?fù)p耗值，意味著更多的輸入功率呈現(xiàn)在輸出。

考慮在相同VSWR范圍內(nèi)的插入損耗。假若由于在輸入端的反射使信號(hào)功率損失16.7%，則83.3%信號(hào)功率到達(dá)輸出。0.833：1比是插入損耗計(jì)算的基礎(chǔ)。插入損耗＝10 log(輸出/輸入)。對(duì)應(yīng)于1.4：1和1.1：1 VSWR插入損耗分別為0.8dB和0.2dB。典型的性能圖示出在100MHz插入損耗為0.2dB。

隔離

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)和信號(hào)通路完全切斷時(shí)，信號(hào)的一小部分仍然會(huì)耦合到輸出。隔離描述輸入信號(hào)功率耦合到輸出的部分。隨著頻率的增高，開(kāi)關(guān)隔離會(huì)降低，這是因?yàn)榭缃訑嚅_(kāi)接點(diǎn)處的電容所致。然而，不同的繼電器具有足夠低的電容支持開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換1GHz或2GHz信號(hào)，甚至高達(dá)40GHz的信號(hào)。

例如，最高密度的開(kāi)關(guān)模塊采用小的簧片繼電器作為開(kāi)關(guān)器元件。簧片繼電器除小型特點(diǎn)外，還具有非常好的可靠性、低成本、指標(biāo)范圍寬的特點(diǎn)。因?yàn)樵诓ＡЧ苤袃蓚€(gè)簧片彼此靠近，開(kāi)關(guān)打開(kāi)的最小電容大約為0.2pF。

有一種BGA封裝的繼電器，是專門為匹配50歐姆傳輸線而設(shè)計(jì)的無(wú)引線器件。BGA繼電器的輸入和輸出信號(hào)通路設(shè)計(jì)成RF傳輸線，貫穿繼電器的RF阻抗近50歐姆。這種繼電器雖然有11.5GHz，-3dB帶寬，但在5GHz其隔離僅為10dB。盡管此繼電器具有良好的匹配特性，產(chǎn)生良好的返回?fù)p耗(1GHz時(shí)35dB，5GHz時(shí)20dB)，但當(dāng)繼電器打開(kāi)時(shí)，有10%的輸入信號(hào)漏到輸出(在5GHz)。

用于討論隔離的電容耦合模型由下列部分組成：一個(gè)開(kāi)路接點(diǎn)上的電壓源、跨接在接點(diǎn)上的雜散電容、另一個(gè)接點(diǎn)到地的50歐姆負(fù)載?；谶@種非簡(jiǎn)化的模型，0.28pF電容對(duì)應(yīng)10dB隔離(在5GHz)或41dB隔離(100MHz)。

PXI-2593 多路復(fù)用器的隔離沒(méi)有規(guī)定，但通常在100MHz，其隔離大于90dB。在性能指標(biāo)中注明繼電器的類型是機(jī)電鎖存繼電器。這種高頻機(jī)電繼電器(如G6Y)在900MHz，至少可提供65dB隔離。盡管PXI-2593多路復(fù)用器不采用簧片繼電器，但在高頻達(dá)到非常高的隔離是可能的。兩個(gè)繼電器與第3個(gè)繼電器串聯(lián)的T形配置，從中間點(diǎn)到并接電容耦合信號(hào)到地。這種方法需要3個(gè)繼電器，而串聯(lián)的兩個(gè)繼電器失配，將使整個(gè)插入損耗變壞。

為了在非常高的頻率實(shí)現(xiàn)良好的損耗和隔離利用段時(shí)間來(lái)確定相干取樣頻率。再次考察相同的8位圖形，將數(shù)據(jù)分為兩段(圖2)。由于分段的緣故，數(shù)據(jù)取樣不再按正常的時(shí)間順序排列，而是交錯(cuò)地進(jìn)行的，因此取樣波形是在采集完成后重新排序獲得的。CIS的取樣速率由下式給出：

SR=KN/Tb(NL+K)

因子K是可變的，對(duì)任何們長(zhǎng)度和速率能保持10MS/s的取樣率。

近實(shí)時(shí)取樣示波器

NRO采用CIS技術(shù)，取樣器鎖定在從輸入信號(hào)中恢復(fù)的時(shí)鐘上，取樣速率略低于10MS/s，這樣取樣速率不是數(shù)據(jù)速率嚴(yán)格的整分?jǐn)?shù)倍，讓取樣在圖形的同一時(shí)間點(diǎn)上重復(fù)進(jìn)行。示波器連續(xù)地捕獲數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器長(zhǎng)度為4M點(diǎn)，最長(zhǎng)可達(dá)512M點(diǎn)。

如上分析表明，NRO不是順序地采集數(shù)據(jù)的，需用記錄數(shù)據(jù)重新排序后來(lái)重構(gòu)波形。由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的差異，CIS方法采集數(shù)據(jù)至少比順序取樣技術(shù)快50倍(10MS/S對(duì)于200KS/S)；數(shù)據(jù)點(diǎn)多1000倍(4M點(diǎn)對(duì)4K點(diǎn))。NRO的有效帶寬在20GHz-100MHz。

NRO通常用來(lái)捕獲重復(fù)的數(shù)據(jù)圖形。但也可以對(duì)非重復(fù)的信號(hào)(包括現(xiàn)場(chǎng)的串行數(shù)據(jù)流)進(jìn)行眼圖的測(cè)試和抖動(dòng)測(cè)量。CIS時(shí)基的取樣脈沖與時(shí)鐘信號(hào)鎖相的，CIS時(shí)基的RMS抖動(dòng)一般小于600fs，可選購(gòu)的高穩(wěn)定時(shí)基則能提供小于200fs的RMS抖動(dòng)。在CIS模式中，4M點(diǎn)基本存儲(chǔ)長(zhǎng)度可以在長(zhǎng)串行數(shù)據(jù)碼型上完成抖動(dòng)成分的分解；存儲(chǔ)長(zhǎng)度擴(kuò)展到512M點(diǎn)時(shí)，更能捕獲，顯示、測(cè)量近數(shù)百萬(wàn)位的碼型。