如何降低测试系统开关噪声

　　为测试电子和机电器件设计开关系统所遇到的问题和设计产品本身一样多。随着器件中高速逻辑的出现以及与更灵敏模拟电路的连接，使得降低测试开关系统中的噪声比以前任何时候更加重要。

　　本文所述的噪声降低技术准则是针对信号频率低于300MHz、电压低于250V、电流小于5A和电压乘赫兹积小于107。

　　任何新式测试系统都用很多信号和电源线来仿真和测量DUT(待测器件)，并有各种各样的开关进行自动连接。通用测试系统结构示于图1。控制总线示于图中左边。模拟、数字和电源总线作为垂直线对示于不同子系统后面。

　　开关是整个系统的中心，互连很多测试点到测量仪器和路由信号、电源到DUT。几乎所有模拟和数字信号以及电源通过开关系统。

　　如果设计不注意，开关系统可能是测量误差之源。有时是莫明其妙的误差。其原因是简单的，很多的互连通常彼此紧靠着，这为噪声耦合提供足够的机会。每个噪声问题都有一个噪声源，以某种形式耦合到接收机，依次对噪声敏感。

　　解决噪声问题有3个步骤

• 必须识别噪声源；

• 必须确定接收点；

• 必须确定耦合方法。

　　至于开关系统中的内部噪声源可由下列原因产生：驱动开关的电路，开关上的热不稳定性，来自系统中其他导体的耦合噪声和系统外部所产生的噪声。

　　来自邻通道的噪声耦合到测量通道，对信号完整性是一个威胁。耦合噪声的最重要的原因是电导耦合，共阻抗耦合以及电场和磁场。

　　另外，某些系统对来自电动作、热耦噪声、电解动作，热电效应和导体运动引起的噪声敏感。开关系统电路也对来自无线电、电视和其他无线广播的电磁辐射敏感。

　　用机械设计可使热不稳定性最小，保证继电器中的所有接触点得到在引脚线中相同的温度梯度，或用闭锁继电器使热稳定度最小，只要有可能，就采用闭锁继电器，闭锁继电器绕组被激励只是瞬时，通常15~20ms使继电器触点传输和闭锁。从而使热产生源减少，而对于采用非闭锁电枢继电器来讲，这是主要的热产生源。

　　适当地屏蔽和接地技术可有效地解决硬连线系统中的很多噪声耦合问题。但是，当信号必须选择开关到示波器、计数器或其他测量仪器时，问题变得严重了。

　　很多情况下，噪声源是系统中的邻通道串扰。在简化的等效电路(图2)中，开关系统中的大多数寄生电容跨接在断开触点和邻近导通通路之间。如同任何电容那样，噪声耦合是面积和距离的函数。所以，降低耦合的简单方法是开关和导线彼此之间的分离。

　　但是，希望增加开关密度，在一个较小的封装内能提供更多能力。当今被测系统趋于更复杂和具有更多的点线。所以，测试工程师面对增加元件密度和同时增加通道间距离的困难。

　　在某种情况下，对一个噪声问题的解决方案，对待不同的噪声问题可能会降低方案的有效性。必须很好的了解噪声源、耦合方法和噪声接收器，以便对这些因素做适当的折衷考虑。

　　根据经验，导线直径40倍的物理分离距离将衰减噪声8dB左右。导线间更大的分离几乎没有影响。

　　树形开关

　　树形开关分离彼此的开关列，这对于降低大系统中杂散断开开关电容是相当有效的，这种杂散电容是连接系统中未用并联继电器所引起的。如图2所示，树形开关置在左边H、L、G线和左边16通道的3列之间。引入的继电器与输入继电器串联可降低这种杂散电容。

　　对于16通道多路开关，这种串联开关配置能有效地降低测量电路的杂散电容。这使串扰小、测量建立时间快。

　　T形开关

　　T形开关是把所有未用通道与测量总线隔离，用低电容通路到地。这种隔离是在单导线上实现的，在信号通路中插入2个另外的接点。结果在高频具有良好的通道间信号隔离。

　　T形开关原理说明示于图3。图中所示上面的源VN与负载电阻断开，这是因为开关A和B是新断开的，开关C是闭合的。因此，开关的T部分有效地并接到地。然而，在另一个位置具有相应触点的下部源VS连接到负载R2。

　　降低开关电容和耦合噪声的另一方法是使开关和开关触点间隙大或使触点面积特别小。例如，Agilent 876A同轴SPDT开关在其开关动作中利用非常长的接入。这使断开触点间隙最大。此开关是封装在精密的金属壳中，以保证大于18GHz的信号完整性。

　　最佳化接地

　　应同样重视系统其余部分的设计，接地和屏蔽可解决大部分的噪声问题。不合理的接地可能是主要的噪声源。一个有效的接地系统必须使从两个或多个电路流经公共地阻抗的电流所产生的噪声电压最小，并避免生成对磁场和地电位差敏感的地环路。

　　尽管接地有很多可能的原因，但两个最普通的原因是提供安全和为信号电压提供一个等电位基准。提供安全地，使得仪器机箱之间的阻抗破坏和电源线的高压线经低阻抗通路到地。这样的地总是在零电压电位。信号地可以或不是在零电压而可以认为是电路或系统的等电位电路基准点，或电流返回到源的低阻抗通路。[page]

　　首先，确定是理想地的标准说明。第二强调IR压降的事实，这可发生在地平板内并耦合噪声进入信号导线。

　　设计合理的系统将具有信号通路和确定的返回通路，因为这两个通路对于工作系统是基本的。但是，往往忽略了返回通路。

　　设计不好的返回通路可改变依赖关系。改变返回通路可出现间断问题，并产生不希望噪声。

　　在大多数系统中，对于系统的不同元件需要分离地返回通路。低电平信号地应该与硬件地和有噪声的地(如继电器和马达地)分离。在敏感系统中，分离信号地为低电平和数字地，避免较高电平，较多噪声的数字信号耦合到低电平信号线。

　　若AC电源分布在整个系统，则电源地应该连接到扣壳或硬件地。单地基准点应该用于低电平工作。另外，地电平的任何差别将在信号通路中呈现出噪声。

　　如图4所示，若仪器的低端接地(Z2=0)，则ECM直接跨接在Rb，它是与输入信号串联，然而，浮置的仪器低端(见图4)使Z2增加到较大的值，并构成电压分压器，这可降低测量通路噪声大约Rb/Z2倍。

　　单点地系统

　　单地不是单点就是多点。单点地可以并联或串联。为了避免噪声耦合，最合乎需求的接地方法是串联地。这也是最便宜和最容易连线的，所以最广泛采用。

　　对于非关键性应用，串联地工作令人满意。最关键性电路应放置在最靠近主地点。

　　在高频，限制并联单点连接地采用。地导线电感增加地阻抗，而几个并联地导线会引起它们之间的电容耦合。随着频率的增高，情况会更加严重，在足够高的高频，接地线将如同天线并幅射噪声。通常，接地线的长度应小于波长的1/20，以避免幅射和保持低阻抗。

　　多点地系统

　　多点地系统用在高频，在多点地系统中，来自所有电路的所有地电流流经公共地阻抗。通常，连接电路到最近的可用的低阻抗地平板，这往往是系统机壳。

　　地平板的低阻抗是由于它的较低的电感所致。到地平板的连接必须尽可能短以使电路和地之间的阻抗最小。

　　频率低于1MHz，通常单点地系统是较好的；10MHz以上，多点地系统是最好的。对于1~10MHz，若最长的地返回长度小于波长的1/20，则可采用单点地系统。假若这是不可能的，则应该采用多点地系统。

　　缆线比较

　　选择合适的缆线类型是一个主要的系统设计功能，在两个屏蔽间具有绝缘的双屏蔽同轴电缆或3线电缆，能提供抗噪声耦合的最大保护。因为噪声电流流经外层屏蔽，信号返回电流流经内层屏蔽，这使得两个电流不流经一个公共阻抗，并不产生噪声耦合。

　　带屏蔽地的同轴电缆在1个点，能提供对电容拾取噪声的真正有价值的保护。在1MHz以上，沿同轴缆屏蔽表面的趋肤效应势必会在影响噪声电流流经屏蔽外部，信号返回电流将流经屏蔽内部。在DC-VHF频率(30MHz~300MHz)，同轴电缆的阻抗比较一致。

　　双绞线和屏蔽双绞线适合于几百KHz的应用。然而，几百KHz以上，这类电缆易于信号损失。屏蔽双绞线在较低频率，其性能可与同轴电缆相比。除非同在平衡电路中，非屏蔽双绞线抗电容拾取噪声的能力较弱。然而，它对磁拾取具有有效的抗噪声度。

　　保持经过连接器的信号完整性

　　只要有可能，应该保持信号及其屏蔽能经过连接器。隔离的BNC连接器近乎理想，因为为屏蔽是连续的保持电缆隔离和阻抗。

　　但是，这样的连接器在测试系统中往往是不现实的，因为测试系统需要较高密度的连接器。在这种情况下，高电平和低电平信号应该经分离连接器运行。若它们必须经同一连接器运行，则它们放置在相隔尽可能远处，用接地线放置在它们之间以增强隔离。

　　通过分离引脚的连接器，必须保持屏蔽。连接所有的屏蔽到单引脚或连接器外壳会形成地环路并使屏蔽电流流经个别屏蔽之间。

　　缆线线束和连接器准则

　　DUT和开关系统之间的接口为噪声进入测试系统提供方便通路。为避免此问题应遵从下列准则：

　　缆线线束

• 高电平和低电平引线不应共享同一缆线线束。

• 在系统中不应该破坏屏蔽的完整性。

• 对于低频，应该隔离屏蔽以避免在系统其地点接地。

　　连接器

• 在连接器中应该分离高电平和低电平引线。

• 接地线应该尽可能放置在信号引线之间。

• 任何未用的连接器引脚应放置在信号引线之间，并应接地。

• 每个缆线屏蔽应有自身的连接器引脚通过电接器。

　　结语

　　在测试系统中为了得到精确的测量，保持信号完整性是极其重要的。最好的方法是抑制噪声和保持噪声耦合最小。根据DUT、测试仪器，开关和其他元件及连接器的输入和输出特性，仔细关注合适的接地和屏蔽可以做到这点。

　　对于当今高性能系统，小的误差可能导致显著的噪声。适中的频率和幅度是相当容易路由和测量的，但必须注意避免地环路。对于高频和低电平信号需要特别注意开关类型和开关配置，以保持整个系统中信号完整性。