【导读】自动测试系统中，信号开关是十分常见的模块，没有任何一款信号开关系统能够适用于任何应用，因此对于适当的系统元件的选择就变得非常重要。那该如何为测试系统挑选合适的开关呢？本文也许能给你答案。

自动测试系统，或者ATE（Automated test systems）具有很多不同的单元，这取决于特定的应用场合，但是在几乎所有的例子中，信号开关都是很常见的模块。没有任何一款信号开关系统能够适用于任何应用，因此对于适当的系统元件的选择就变得非常重要。

对于适当的信号开关的选择要比大多数测试工程师对它的信赖要重要的多。信号开关负责测试单元与激发和响应仪器之间的连接工作（如图1所示）。恰当的连接确保了系统的可重复性以及精度。因为任何测量的精度都只能与其中最薄弱部分的能力相当，因此较差的开关只能带来较差的测量精度。

图1：信号开关负责测试单元与激发和响应仪器之间的连接工作

图中简化的模块图强调了信号开关在测试系统中作为关键元件的重要性，它是测试仪器获取待测器件资源的门户。

由于在开关过程中错误的决定会影响系统的可靠性和精度，在测试系统设计中加入一些事先考虑的因素能够带来很多回报。在本文中所提到的问题不仅仅应用于广泛应用的PXI测试系统，也应用于当今业界广泛使用的各种测试平台中。

首先要考虑的问题

在设计具有信号开关的测试仪时，做出谨慎的选择是非常重要的。首先，要从相对较高的水平上对测试计划以及待测器件的设计进行评估。然后再视清单中对于测试平台选择的可获取性和资源的可获取性，进而确定哪些是必须从认可的供应商那里进行采购的。在选择过程中关键的因素是测量精度的可重复性以及测试系统的可靠性。

当进行到测试系统的开关系统时，这里有许多问题。在开始选择开关系统时，要从这一基本方面入手：即继电器类型。能够应用于多种应用类型的继电器对于测试系统的精度和长期的使用寿命都是非常重要的。如果某人都发明工作在26GHz的直流电流、并且能够重复性地处理10A到50mA的电流的话，那么这个人应当非常富有。但是在现实中，有许多选择是由应用所决定的。

如图2所示的簧片继电器提供了更长的开关寿命，并且在严酷的环境条件下具有良好的安全性，例如在具有可燃性气体的环境中。簧片具有缠绕的卷盘，以确保磁性开关的精度。

图2：簧片继电器提供了更长的开关寿命

图2 在簧片继电器中，开关被玻璃胶囊所包围，或者称为“簧片”，这就保护了器件的电气接触性。

簧片继电器的主要优点是它的可靠性：在上亿次或者更多次数的操作后它们通常仍然是完好的，并且比其他类型的继电器展示出较低的热EMF特性。因此那些需求高精度的较低级别信号的应用而言，继电器是一个非常好的选择。缺点就是它们的成本较高，并且它们的热开关特性不如其他类型的继电器好。

另一种非常流行的继电器类型是电磁继电器（Electromechanical Relay，EMR，如图3所示）。电磁继电器的优点是，在断开状态，它们可以保持较大的间隙，这使得很多较高的电压可以通过这些器件进行开关。它们还具有较大的接触面积，这意味着它们可以处理更大电流的开关。最后，电磁继电器的价格比簧片继电器要低很多，因为它们的制造过程很简单。它们的缺点是使用寿命较短，并且具有较多的热EMF问题。

图3：电磁继电器

图3 请注意，不像是簧片继电器，电磁继电器没有接触封装，因此是暴露在环境中的固态开关在最新的测试和测量应用中显示出更多的流行性。从技术上来说，如果你的应用是保持在规格之内的话，固态继电器具有不受限制的寿命；他们并不担心这一点。并且，固态继电器同样没有开关反弹效应。

从另一方面来说，与簧片继电器和电磁继电器相比，固态继电器具有非常窄的带宽。与机械继电器相比，在封闭的操作环境中，他们还具有较高的电阻。并且它们具有电压限制以及漏电问题。但是对于许多应用而言，固态开关在特定的领域非常合适。
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测试计划

在简单介绍继电器的类型之后，是需要进入到实际测试计划的时间了。这里有一些问题需要回答：

你需要测试的规格是什么？当对某个信号源进行开关或测量的时候，需要处理的最大电压是多大？需要关注的最大电流是多少？频率如何？

对上述问题具有答案之后，我们可以考虑是否需要热开关或者冷开关（并且分别涉及到开关或者负载电流）。基本上，这就意味着继电器是通过施加的功率进行开关（热开关），亦或是先保持断开、然后再施加功率（冷开关）。大部分的继电器对于热开关和冷开关是有差别的。

下一步行动

一旦继电器的类型得到确定之后，开关的配置就必须确定。一般会选择单刀单掷开关继电器、多路继电器或者交叉点继电器矩阵。然后，需要控制的测试点数目必须进行考虑。

在较高的频率下，你会加入一些额外的需求，诸如能够承受的最大反射功率，最坏情况下的插入损耗是多少，诸如此类。最后，需要考虑测试系统所处的应用环境。是否会有爆炸性气体？例如，你是否在为应用于机场跑道或者军事基地建立测试仪器？

也许电缆是同样重要的元件，因为你所使用的继电器可以具有非常低的插入损耗和重复性，以及你所需要的使用寿命，但是电缆的体积非常的小，这就是一种错误，或者是质量低下的连接器。那么顿时你就失去了开关模块所具有的优势。在这种情况下，电缆就成为你的测试系统中最薄弱的一环，影响整个测量精度。

如何避免失效

即便你决定了继电器的类型、所需配置的模块，为了避免发生问题，你仍然需要关注可能产生的失效。

首先要考虑的问题是热开关。热开关会降低所有机械继电器的特性，甚至簧片继电器和电磁继电器。继电器的数据表会给你关于你所期望的使用寿命的一些数据——关于低级、中级以及全功率，并且你会看到各种继电器在每个阶段使用寿命的差别。此外，如果系统的运行条件非常接近继电器的极限，你有可能会损坏继电器，甚至有可能会使其着火！

接下来要关心的问题是，如果电路本身是大电容负载的情况。有一些你可能会需要释放功率的应用，例如当你改变开关极性的时候。这会产生很大的浪涌电流，并且它们确实会影响你所使用开关的寿命。明显地，你不能总是避免这种情况，所以你可能会在这个项目中将更高能力的继电器包括进去。

在开发过程中发生的其他情况主要是代码错误，这可能会使得继电器关闭较长的时间，或者你偶然性地将原本需要进行冷开关的电路设定为热开关。人难免会犯错，所以全面地验证和检验你的代码是非常重要的。

继电器规格可能会被忽视的另一个地方是额定功率。继电器的额定功率并不总是能达到你所想像的那样足够的高。许多测试和测量开关系统都假设了较低的占空比，因此并没有考虑连续性的功率。

你可能会想，使用最小的电压并不是问题。再想想，尤其是高电压应用，大部分的高电压继电器必须具有可靠的最小电压开关特性。如果你试图对较低的电压进行开关，你会得到较高的电阻，因为继电器的接触并没有充分“润滑”。润滑在电磁继电器中是非常重要的，因为继电器的接触是暴露在环境中的，并且会氧化。（请见下文“润滑”）

另一项需要特别注意的规格是继电器的期望寿命。如果你的应用会进行数月甚至数年的测试，那么你需要采用具有最大额定寿命的继电器。否则，在你的测试周期中加入关闭时间和维护周期，以使得在开关模块达到它们的额定寿命的时候进行置换（如图4所示）。

关于“润滑”

对于我们中那些已经测试了很长时间的方式而言，“润滑”这种方式最初是指继电器的接触是浸没在水银中的应用，或者说是通过水银进行“润滑”。这种继电器通过使用水银减小接触电阻和压降的方法应用在许多领域。对于低电流信号而言，水银能够阻止表面沾污，表面沾污会使得继电器的接触变差；对于高速应用而言，水银能够消除继电器的接触反弹。

当然，因为水银的剧毒特性，我们很少再见到使用水银进行润滑的继电器。所以我们会使用其他技术。

当今，润滑涉及到流经继电器接触的最小电流。维基百科对润滑电流提供了良好的定义：“机械开关运行过程中需要突破淀积在接触上的氧化膜，润滑电流是需流经机械开关的最小电流。氧化膜通常发生在具有较高湿度或化学气体的环境中。一定量的润滑电流在系统设计中是非常必要的，使用具有较小的接触压力的精细开关可以作为传感器输入。如果不能达到这种效果，可能会导致开关保持电气“断开”状态，或者由于接触氧化的原因会引入比所允许的更高的电阻”。

这就意味着如果你建立的测试展示了较低阻值的随机性电阻或者一直保持断开，请仔细查看你所使用的继电器的规格。很有可能你的电路并没有足够大的电流来穿通接触面的氧化层。这就意味着你需要在测试中改变继电器的类型，更好的控制自动测试设备所处的环境，或者对继电器加入“润滑”，以使得其更加适用于测试。

图4：簧片继电器的常规损耗

顶部两个分解的簧片继电器描述了常规的损耗；最上面的图中是一个全新“洁净”的簧片基础，右上的图显示在使用过程中变得有些暗淡，但是仍然在规格之内。左下图，由于错误使用，接触已经断开，右下的图中继电器已经有凹痕，变得非常不可靠。因此，针对继电器，我们需要制定详细的维护计划。
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是什么损坏了？

假设我们有一个具有损坏继电器的多点矩阵，它总是保持断开或者关闭状态。你会见到许多多点的失效，因为矩阵工作原理的原因（如图5所示）。问题在于，要在8000个继电器中找到失效的那个。

图5：矩阵工作原理

图5 矩阵中一个坏的继电器实际上会影响许多可能的连接。从矩阵的边缘进行检测确实是一项挑战。

首先让我们考虑开关领域的自我测试。一些限制因素加入到了自我测试中，这同时也增加了成本。国防军事工业可能对成本的增加能够接受，但是许多商业企业会阻止成本增加。例如PXI等标准，你会遇到的问题还有，较小的印制电路板并不允许加入自我测试所需要的较大的空间。然而我们仍然可以找到解决这一问题的方法。

商业上，有工具可以测试开关路径。在许多案例中的主要方法是通过连接到DMM的外接工具来对沿着复杂开关系统的所有路径进行基本的开路和短路检查。外接工具可以连接到前置的面板，并且可以对继电器矩阵或多路继电器的所有开关路径进行基本的检查。

这对相对复杂的模块是有作用的。如果电路板上只有20个或者30个继电器，因为其简单性，供应商有可能不会提供解决方案。你就得花费很多时间和精力在开发自动解决方案上，这并不值得。

在任何情况下，你所使用的工具都应当鉴别出失效的继电器。上文中提到的明显失效的继电器会一直保持断开或者闭合的状态。但是你还要考虑电路板的布线连接情况。再一次的，DMM可以测量走线路径的电阻，并且查找出那些已经开始超出规格的走线上的继电器。

确保工具能记录下测试结果是非常重要的，因为你可以据此分析长期的失效。请记住一点，机械继电器的耐用性是有一定时间限制的，即便没有施加应力的时候；当它们接近使用寿命时，其电阻会变得更高。你可以查看这些日志文件来进行趋势分析，并且思考更换特定的继电器，因为它们已经接近了其使用寿命。

对于如图6所示的自我配置而言，如果我们关闭某一继电器，在沿X轴方向和Y轴方向分别得到47Ω的电阻。因此良好的连接将会在DMM上展示94Ω电阻的读数。如果某一个继电器处于关闭的状态，那么测量将会超出限度。如果继电器矩阵中某处的另一个继电器也是断开的，你会在47Ω的电阻上得到一个平行的路径，并且这会改变测量值。具有断开和关闭状态的多次测量之间的差异能够找出失效的继电器。

图6：使用自测试固定装置配置基本的4x8继电器矩阵

图6 使用自测试固定装置配置基本的4x8继电器矩阵需要一系列的高精度47Ω电阻。每个电阻的一端连接到X轴或者Y轴，另一端与DMM的另一个47Ω的X轴电阻或者Y轴电阻进行平行地连接。

正如前文所提到的，特定的高压继电器会需要较高的电压对接触进行“润滑”。所以如果使用DMM的话，请对这种自我测试类型保持谨慎，因为平均来看他们在1mA电流下的测量源头为5V，这并不足以对继电器的接触进行足够的“润滑”。应用中所使用的任何高压继电器都需要施加高压的源头，并且需要对继电器的电压降进行测量。

另一种可能性是查看对产品具有内建自我测试的供应商。感谢技术上的进步，有的供应商会通过合理的增加成本来采购具有自我测试功能的产品。一种方法是提供连接到走线路径的交流电源。电压降通过模数转换器进行测量，而配套的软件会使得路径闭合，并且验证电压降，评定走线路径是否正确，或者是否超出了规格，并且在进一步行动之前对结果进行记录。

当然，总会有替代方案的。一种称为“继电器计数”的自我测试技术已经在几年前得以应用。前提是每个继电器都有特定的使用寿命，进而通过对继电器保持连接的次数进行计数，以现实它们达到使用寿命的时间。

这种方法听起来很简单，但是它是有问题的。首先，继电器的计数并不考虑开关电流对继电器寿命的影响。继电器的使用寿命取决于通过接触的负载：在小电流负载的情况下继电器可以运行到额定的次数，但是满功率负载将会减少开关次数。在一些应用条件下继电器的使用寿命最少会减少三个数量级。因此继电器是否还能够正常工作极大地取决于实际应用。