怎樣去降低測試系統(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

　　必須識別噪聲源；

　　必須確定接收點；

　　必須確定耦合方法。

　　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)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。