開關矩陣

開關矩陣

開關網絡是自動測試系統的重要組成部分，擔負著控制信號流向的任務，是實現自動測試的接口設計的關鍵。在自動測試設備中，開關一般分為功率開關、信號開關(矩陣開關)、微波開關。其中功率開關一般用來對系統的電源進行切換，矩陣開關和微波開關主要用來做信號切換，根據實際UUT的測量需求，靈活分配系統的測試資源。目前，自動測試設備中的信號開關系統通常由兩個或多個矩陣開關組成，按照各種接口標準相互連接，，形成從測試資源到UUT的靈活切換。

開關網絡的結構如下圖所示，該結構采用矩陣開關對接的方式，形成了環形虛線包圍的邏輯意義上的總線，進一步形成開關網絡結構。如果把43 16、43 32 和43 64型矩陣開關各自的4路信號連接在一起，就形成了任意兩路接可以互達的總線型開關網絡結構?？偩€的數量，取決于測試時需要同時加載的最大信號通道數；總線的連接能力，取決于矩陣開關模塊的數量。（圖中雙向箭頭，表示測試資源TR與連接器ITRC采用直接連接方式。）[1]

2開關矩陣設計原則

開關設計應該遵循以下基本原則：

(1)選用具有開放商業標準的開關系統模塊。具有開放標準的產品貨源多元化，品種系列化，維護和升級方便，有利于開關系統選型和未來技術支持。

(2)采用模塊化可擴展的開關系統結構。模塊化可擴展的開關系統結構不僅可以方便地擴大開關系統規模，而且使開關系統向上兼容，有助于實現測試系統TPS 的移植和互操作。

(3)在能夠滿足移植、配置方便的前提下，減少備用擴展開關端子的數量。在高頻信號傳輸中，開路的開關通過雜散電容向鄰近的信號通道耦合噪聲，所以應該減少不必要的開路開關數量。

(4)根據測試信號的參數決定開關的種類。不同開關類型具有不同的信號頻帶、耐壓和電流/ 功率的承載能力，需要根據測試信號的參數選擇合適的開關類型，這樣才能實現安全、可靠和可信的測試信號路由。

3開關常見類型

構成開關組件/ 系統的開關類型主要有以下幾種。

(1)干簧管繼電器。干簧管開關速度快(與電磁繼電器相比) ，導通電阻小，開關處于密封結構中，但承載大電流和高電壓的能力較差。當需要較快的開關速度時，可選擇干簧管繼電器開關。

(2)水銀繼電器。它的使用壽命長，導通電阻非常小，無觸點抖動。但水銀繼電器安裝位置敏感，必須正確安裝才能正常工作，同時水銀受到環境因素的影響較大，限制了此類繼電器的應用范圍。

(3)電磁繼電器。目前應用最廣泛的是機電式電磁繼電器開關，該類繼電器既有適用于大功率信號切換的功率開關，也有適用于微波和射頻信號切換的高頻開關，還有用于光信號切換的光纖開關。該類繼電器開關具有開路隔離電阻大、導通電阻小、工作電流大等優點，但一般體積較大、開關速度慢、使用壽命短、所需的驅動電流較大。

(4)場效應管(FET) 開關。它為無觸點的電子開關，具有體積小、驅動電流低、可靠性高、抗干擾能力強、使用壽命長和開關速度快(可達微秒級) 等優點，適用于高密度、大功率、頻繁切換信號的應用場合，但場效應管開關導通電阻較大，斷開時有漏電流，一般不具有雙向導通能力，同時成本價格較高。

4開關主要參數

目前COTS的開關產品的典型性能參數如下所示。

類型 開關速度 熱漂移 3dB帶寬 額定電流 最大電壓

通用開關 3～15 ms 3～7μV 10 MHz 1～5 A 125～300 V

矩陣開關 3～7 ms 3～7μV 10 MHz 1～2 A 200～300 V

射頻開關 3～7 ms 6μV 0.3～3GHz 0.5～1A 24～42 V

微波開關 15～30ms NA 18～20GHz NA NA

5開關注意事項

雖然制造廠家都定義了開關的壽命，但實際開關壽命隨著負載類型的不同往往變化很大。當開關負載為純電阻時，額度的開關壽命一般相當準確，但當負載為容性和感性時，開關壽命將減少。開關系統的負載一般分為：電阻、電容、電感、電機等幾類。從使用安全可靠的角度出發，當負載為阻性時，按其標稱壽命的75 %降額使用開關。對于電容負載，按額定電阻負載壽命的55 %降額使用開關；對于電感負載，按額定電阻負載壽命的40%降額使用開關；對于電機負載，一般按額定電阻負載壽命的20 %降額使用開關；對于白熾燈類型的負載，熱態電阻是冷態電阻的10～15 倍，所以按額定電阻負載壽命的10 %使用開關。

開關系統是測試系統中信號傳輸的中樞，所以延長開關系統的使用壽命是保證整個測試系統長期可靠運行的關鍵。有觸點的繼電器在導通和斷開瞬間會出現放電現象，可造成觸點熔蝕，降低開關壽命，當負載為感性時現象尤為嚴重。

6開關的整體配置

開關矩陣設計原則是按功能進行的模塊化劃分和配置，同時與自動測試系統信號端口的定義相對應，這樣有利于接口的擴展和形成模塊化測試系統結構。在實際開關系統設計中往往采用多種開關拓撲結構組成混合開關系統，將具有模塊化的各種開關資源靈活配置和級聯，形成滿足測試需要的高效結構。

例如4×4矩陣開關與4 個10 選1多路開關級聯而組成的4×40的混合開關系統結構，可以有效地擴展矩陣開關的輸入/輸出通道數，缺點是此結構無法實現完全的4 ×40 通道間任意切換，例如當通道A 已連接到通道0 時，B 、C、D 等通道都無法與此多路開關模塊中的通道1～9 相連接。該混合開關結構是一種經濟考慮的的開關通道擴展方案，可以根據檢測/ 激勵信號的不同時序要求進行分組，實現UUT 測點組與測試儀器間的通道切換。