摘要

產(chǎn)品在工作臺(tái)上接受測(cè)試時(shí)，通常測(cè)試環(huán)境是最佳的，產(chǎn)品與激勵(lì)和測(cè)量設(shè)備之間具有很短的、直接的線纜連接。但在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行測(cè)試時(shí)，被測(cè)設(shè)備（DUT）和測(cè)試儀器之間可能具有很復(fù)雜的連接網(wǎng)絡(luò)，包括線纜、信號(hào)分配裝置、信號(hào)開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)以及連接器轉(zhuǎn)接面板和特定設(shè)備的適配器等。所有這些器件對(duì)于在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中工作臺(tái)上的儀器和產(chǎn)品之間直接往返的原始信號(hào)的品質(zhì)不僅不能提升，相反地可能會(huì)造成信號(hào)品質(zhì)下降。根本上說(shuō)，所有的線纜、接口和開(kāi)關(guān)應(yīng)該被當(dāng)作是測(cè)試儀器的擴(kuò)展，并且在評(píng)估儀器性能的時(shí)候必須統(tǒng)籌考慮。這份白皮書(shū)會(huì)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入地探討，重點(diǎn)涉及通道電阻、導(dǎo)線電容和插入損耗對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，以及如何最大程度地減小這些影響。

目錄

1.0 一個(gè)成功的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的目標(biāo)

1.1 專業(yè)術(shù)語(yǔ)

2.0 測(cè)試信號(hào)的歷程

3.0 障礙

3.1 通道電阻

3.11 示例 — 基礎(chǔ)

3.12 示例 — 引申

3.13 示例 — 解決方案

3.2 信號(hào)路由和交流電測(cè)量

3.21 示例 — 基礎(chǔ)

3.22 示例 — 引申

3.23 示例 — 解決方案

3.3 插入損耗和阻抗不匹配

3.4 高電壓

4.0 千兆以太網(wǎng)

5.0 客戶定制線纜

5.1 Pickering 的線纜設(shè)計(jì)工具

6.0 總結(jié)

1.0

一個(gè)成功的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的目標(biāo)

在研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常需要在實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)上手動(dòng)操作來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)。一旦完成了對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，滿足產(chǎn)品規(guī)格和性能要求的任務(wù)就被轉(zhuǎn)交給生產(chǎn)測(cè)試工程團(tuán)隊(duì)來(lái)負(fù)責(zé)。理想的情況是，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就已經(jīng)將測(cè)試的種種要求統(tǒng)籌考慮，但實(shí)際上產(chǎn)品測(cè)試只能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)好后進(jìn)行，因此問(wèn)題往往會(huì)在后期逐漸暴露。測(cè)試工程團(tuán)隊(duì)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)針對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試流程，這項(xiàng)流程屬于產(chǎn)品制造過(guò)程的一部分，并且測(cè)試流程需要足夠高效來(lái)支持產(chǎn)品制造的要求。這項(xiàng)流程通常是自動(dòng)化的，從而加快測(cè)試以及減少由于測(cè)試技術(shù)人員的參與而人為造成的誤差。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件代碼控制機(jī)架上的測(cè)試儀器，這些儀器為被測(cè)設(shè)備提供激勵(lì)并且測(cè)量來(lái)自被測(cè)設(shè)備的反饋。創(chuàng)建自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)并不容易，往往會(huì)因?yàn)橐鬁y(cè)試平臺(tái)要足夠多功能來(lái)支持不同類型產(chǎn)品而使測(cè)試變得難上加難。針對(duì)不同產(chǎn)品，系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)會(huì)通過(guò)適配裝置路由到被測(cè)設(shè)備，因而不可避免的會(huì)引入一些信號(hào)連接點(diǎn)，這些連接點(diǎn)可能會(huì)破壞測(cè)試信號(hào)的完整性。

圖 1 — 在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）系統(tǒng)中創(chuàng)建連接

圖片由 Virginia Panel Corporation 提供

1.1

專業(yè)術(shù)語(yǔ)

可能會(huì)見(jiàn)到的不熟悉的專業(yè)術(shù)語(yǔ)：

PXI — 針對(duì)基于 PCI/PCIe 的模塊化測(cè)試儀器和開(kāi)關(guān)平臺(tái)的開(kāi)放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

接收器 — 海量互聯(lián)面板，可在被測(cè)設(shè)備和測(cè)試儀器之間提供連接接口

信號(hào)路由系統(tǒng) — 在被測(cè)設(shè)備和測(cè)試儀器之間的路徑上的一切信號(hào)，包括開(kāi)關(guān)元器件和任何外部的連接器和線纜

2.0

測(cè)試信號(hào)的流動(dòng)

圖 2 顯示了一臺(tái)兩通道的函數(shù)發(fā)生器連接到一臺(tái)被測(cè)設(shè)備的多個(gè)點(diǎn)上。其中會(huì)用到一個(gè)小型的開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)來(lái)分配函數(shù)發(fā)生器的輸出。開(kāi)關(guān)和儀器的輸入和輸出連接到一個(gè)共用的接收面板上，然后再接到 一個(gè)針對(duì)被測(cè)設(shè)備的適配器上，最后適配器接到被測(cè)設(shè)備上。

信號(hào)通過(guò)的路徑上存在多個(gè)會(huì)破壞信號(hào)完整性的節(jié)點(diǎn)。讓我們看一下下圖中的例子，一個(gè)被測(cè)設(shè)備需要一個(gè)具有最小寬度和最少上升/下降時(shí)間的輸入脈沖來(lái)開(kāi)啟一系列事件。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)首先會(huì)通過(guò)幾英尺長(zhǎng)的線纜到達(dá)測(cè)試接口，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)連接節(jié)點(diǎn)以及穿過(guò)測(cè)試儀器中更多的線纜，然后回到第一層的開(kāi)關(guān)，再次通過(guò)接口和測(cè)試儀器到達(dá)第二層的開(kāi)關(guān)，最后從開(kāi)關(guān)出來(lái)到達(dá)被測(cè)設(shè)備。根本上說(shuō)，十多英尺長(zhǎng)的線纜、連接器和開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)已經(jīng)成為了函數(shù)發(fā)生器的一部分。

圖 2 — 函數(shù)發(fā)生器的輸入及通往被測(cè)設(shè)備的路徑

信號(hào)路徑中線纜、開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和連接器對(duì)于提高信號(hào)完整性來(lái)說(shuō)沒(méi)有幫助，相反地還會(huì)造成不良影響。對(duì)信號(hào)的影響通常不容易計(jì)算或預(yù)測(cè)，尤其是在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)具有多條可能的路徑的情況下。這就會(huì)對(duì)信號(hào)完整性和結(jié)果測(cè)量造成不確定性，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的不確定性。因此，當(dāng)一臺(tái)函數(shù)發(fā)生器以其標(biāo)稱的技術(shù)規(guī)格工作時(shí)，在測(cè)試系統(tǒng)中其輸出一旦需要通過(guò)信號(hào)路由系統(tǒng)，那么就會(huì)需要采取一些其它措施來(lái)減少影響。

3.0

障礙

在這樣的系統(tǒng)中，通常會(huì)對(duì)函數(shù)發(fā)生器指定幾項(xiàng)具體的規(guī)范，比如上升時(shí)間、帶寬、信號(hào)源阻抗和波幅準(zhǔn)確度。而信號(hào)路由系統(tǒng)則會(huì)對(duì)電容、通道電阻、插入損耗、反射功率造成影響，并且有很大機(jī)會(huì)造成阻抗不匹配以及信號(hào)衰減的問(wèn)題。如果在路由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上思考不全面，那么信號(hào)完整性就很可能遭到破壞。這就會(huì)對(duì)測(cè)量造成不確定性， 更重要的是會(huì)對(duì)即將交付的產(chǎn)品的可靠性造成圖 3 所示的情況。

圖 3 — 信號(hào)路由系統(tǒng)的輸出不一定與其輸入一致

冒信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)并非明智之舉。任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)盡可能讓傳輸系統(tǒng)對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)是透明的，不需要手動(dòng)設(shè)置。那么，我們?cè)谶M(jìn)行 ATE 信號(hào)路由過(guò)程的第一步應(yīng)該做什么，從而保證擁有一個(gè)可靠的系統(tǒng)呢 —— 并且在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期內(nèi)是可重復(fù)使用的，可維護(hù)的以及可為用戶最大程度減少成本？

首先，讓我們深入了解一下互連系統(tǒng)會(huì)給系統(tǒng)工程師帶來(lái)哪些挑戰(zhàn)，以及應(yīng)該采取哪些措施來(lái)降低互連系統(tǒng)對(duì)信號(hào)完整性的影響。我們將重點(diǎn)關(guān)注通道電阻、信號(hào)衰減和插入損耗。

3.1

通道電阻

通道電阻是由于線纜、連接器和開(kāi)關(guān)的存在而在信號(hào)路徑上增加的電阻。關(guān)于電阻在電路中的作用，有一些基本常識(shí)，比如電阻作為濾波網(wǎng)絡(luò)的一部分可以減少噪音干擾，或作為衰減器將高電壓信號(hào)引入可接受范圍的連接設(shè)備中。但另一方面，電阻也對(duì)互連系統(tǒng)造成不良的電壓降、傳輸信號(hào)衰減以及發(fā)熱等一些副作用。在信號(hào)路由系統(tǒng)中的電阻會(huì)使得信號(hào)在到達(dá)終點(diǎn)的過(guò)程中出現(xiàn)部分流失。

圖 4 — 通道電阻引起損耗

如我們之前舉的例子說(shuō)到的，在配置信號(hào)路由系統(tǒng)時(shí)很容易會(huì)把信號(hào)路徑配置成幾十英尺長(zhǎng)，從而對(duì)直流和射頻測(cè)量造成問(wèn)題。導(dǎo)體的直徑是跟導(dǎo)通電阻有關(guān)的，那么就讓我們來(lái)了解一下不同規(guī)格的線纜是如何影響測(cè)試信號(hào)的。越粗也就是線規(guī)越小的線纜顯然要比線規(guī)大的線纜能承載更多的電流。增加線纜中銅導(dǎo)線的直徑意味著單位長(zhǎng)度的電阻變小，通道電阻變小也就意味著消耗的功率越低，也意味著產(chǎn)生的熱量越少。以上提到的所有屬性對(duì)于信號(hào)傳輸都是有利的。然而，為了方便生產(chǎn)部門生產(chǎn)較小尺寸的測(cè)試系統(tǒng)，高密度測(cè)試儀器（尤其是多通道開(kāi)關(guān)模塊）和大規(guī)模互連裝置通常使用高密度連接器，這些連接器只能容納較高線規(guī)的線纜。圖 5 顯示了一個(gè) ATE 系統(tǒng)中用到的承載低電平信號(hào)的兩種常見(jiàn)的線規(guī)之間的差別。注意這些規(guī)范都是針對(duì)在自由空間內(nèi)的一根導(dǎo)線而言的。如果將線纜捆扎在一起，由于會(huì)產(chǎn)生熱量，電流規(guī)格會(huì)大大降低。較高線規(guī)的導(dǎo)線的信號(hào)導(dǎo)通電阻會(huì)比較低規(guī)格的大四倍多。

圖 5 — 量化引線電阻與線規(guī)的關(guān)系

3.11

示例 — 基礎(chǔ)

讓我們看一個(gè)具體的示例做進(jìn)一步的理解，這個(gè)示例包含幾百個(gè)測(cè)試點(diǎn)多路復(fù)用接到同一個(gè)輸入上。在這個(gè)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)信號(hào)不超過(guò) 150V 或 1A。Pickering 生產(chǎn)高密度的PXI模塊化開(kāi)關(guān)，包括高密度多路復(fù)用模塊（圖 6）。比較兩個(gè)模塊的規(guī)格，兩個(gè)都滿足電壓/電流要求，但其中一個(gè)要比另一個(gè)的通道數(shù)多 25%。通道數(shù)對(duì)于模塊化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)通常是比較重要的，尤其是對(duì)于槽位數(shù)比較有限的情況。開(kāi)關(guān)系統(tǒng)在機(jī)箱上占用的槽位越少，留給其他儀器或?qū)?lái)擴(kuò)展的空間就越多。然而，要實(shí)現(xiàn)高通道密度，就需要用到 200 針的連接器，對(duì)于較低通道密度的則需要一個(gè) 160 針的 DIN 連接器。200 針連接器的制造商規(guī)定使用的配套導(dǎo)線線規(guī)至少為 28 AWG，而 160 針的連接器的導(dǎo)線至少為 20 AWG。這對(duì)于系統(tǒng)接線來(lái)說(shuō)有什么意義以及對(duì)開(kāi)關(guān)測(cè)量有什么影響呢？

圖 6 — 兩種高密度開(kāi)關(guān)模塊之間的對(duì)比

3.12

示例 — 引申

讓我們來(lái)做進(jìn)一步的說(shuō)明。假設(shè)我們要測(cè)試一個(gè)產(chǎn)品，我們的測(cè)試系統(tǒng)要提供一個(gè) 12V、1A的信號(hào)源，且具有±5%的準(zhǔn)確度。我們創(chuàng)建了一個(gè)系統(tǒng)來(lái)路由多個(gè)開(kāi)關(guān)。在信號(hào)源和連接到被測(cè)設(shè)備的終端之間有 10 英尺的線纜，且還具有一條一樣長(zhǎng)的線纜用來(lái)返回信號(hào)。（圖 7）。假如我們的系統(tǒng)使用的是線規(guī) 28AWG 的導(dǎo)線，那么總的通道電阻是 1.3 歐姆（不考慮任何開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)電阻）。這個(gè)通道電阻會(huì)導(dǎo)致電壓下降 1.3V —— 要比可接受的誤差大了兩倍。如果使用線規(guī) 22AWG 的導(dǎo)線，電壓降會(huì)減少至 0.32V，這個(gè)數(shù)值在我們的容差范圍內(nèi)。注意，任何開(kāi)關(guān)和接口觸點(diǎn)都會(huì)增加通道電阻，使得損耗進(jìn)一步增大。

圖 7 — 測(cè)試系統(tǒng)的線纜顯示為電阻，在導(dǎo)線上存在電壓降，在被測(cè)設(shè)備上存在合成電壓

3.13

示例 — 解決方案

可以得出一個(gè)明顯的結(jié)論，為了最大程度減小導(dǎo)線電阻，導(dǎo)線長(zhǎng)度越短越好。如果必須要用較長(zhǎng)的導(dǎo)線，有一個(gè)常見(jiàn)的可以彌補(bǔ)不良影響的方法是采用4線信號(hào)源或4線測(cè)量設(shè)備。其中有兩條高阻抗的傳感線會(huì)并列接到信號(hào)線上，不管導(dǎo)線長(zhǎng)度多少都可以做出相應(yīng)的調(diào)整來(lái)補(bǔ)償損耗。圖 8 展示了一個(gè)基于阻性傳感器的4線測(cè)量。假如 RDUT 是一個(gè)100Ω 的熱敏電阻（RTD），如果采用 2 線機(jī)制，那么一個(gè)通道電阻會(huì)造成大約 3.5℃ 的誤差，如果采用 4 線測(cè)量則可以消除這些誤差從而獲得精準(zhǔn)的測(cè)量。然而，任何好處都伴隨著成本，4 線測(cè)量對(duì)系統(tǒng)密度的要求會(huì)大大增加，因?yàn)橐_(kāi)關(guān)額外的傳感線，就需要用到兩倍多的開(kāi)關(guān)通道。當(dāng)要求測(cè)量絕對(duì)準(zhǔn)確時(shí)，一般 4 線測(cè)量是最佳選擇。

圖 8 — 4 線測(cè)量可彌補(bǔ)多余的導(dǎo)線電阻帶來(lái)的不良影響

3.2

信號(hào)路由和交流測(cè)量

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，尤其是那些包括射頻測(cè)量的系統(tǒng)，通常采用較小規(guī)格的繼電器來(lái)構(gòu)建。比如說(shuō)單刀雙擲（SPDT）或單刀四擲（SP4T）繼電器，針對(duì)特定的應(yīng)用要求，使用測(cè)試適配器中的外部導(dǎo)線將這些繼電器重新進(jìn)行配置構(gòu)建不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這為系統(tǒng)架構(gòu)師提供了很大的靈活性，可以根據(jù)需要微調(diào)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。舉個(gè)例子， 一個(gè)具有八個(gè)獨(dú)立的 SP4T 繼電器的開(kāi)關(guān)模塊可以通過(guò)使用外部同軸導(dǎo)線重新配置成一個(gè)兩組 SP12T 的多路復(fù)用器，從而擴(kuò)展一個(gè) 2 通道示波器的輸入輸出。在另一個(gè)不同的應(yīng)用中，同樣的八個(gè) SP4T 的開(kāi)關(guān)模塊還可以配置成一個(gè) 4x4 的矩陣。在同一個(gè)測(cè)試平臺(tái)上測(cè)試高度混合的產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)境中，通常對(duì)板卡的靈活性具有很高的要求。然而，要滿足這樣的靈活性，通常需要額外的同軸線纜來(lái)構(gòu)建更大的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，這對(duì)系統(tǒng)性能來(lái)說(shuō)是個(gè)不利因素。根據(jù)不同的應(yīng)用，選擇的線纜類型可能會(huì)非常關(guān)鍵。

3.21

示例 — 基礎(chǔ)

讓我們測(cè)試一下在ATE系統(tǒng)中常用的兩種同軸線纜 RG178 和 RG316，下表列出了它們的關(guān)鍵參數(shù)，可以看到兩組數(shù)據(jù)很相似。

表 1 — 兩種不同的 50Ω 同軸線纜的參數(shù)比較

3.22

示例 — 引申

兩種線纜具有相同的傳播延遲時(shí)間以及每英尺相同的電容。兩種線纜都需要在 50Ω 的環(huán)境下使用。可以注意到在衰減值上兩者是不同的。如果我們考慮在一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中的輸出 140MHz 方波的信號(hào)源儀器和被測(cè)設(shè)備之間連接一條 12 英尺的同軸線纜，那么該波形的5次諧波位于 700MHz。信號(hào)的衰減是關(guān)于頻率的函數(shù)，使用 RG178 要比 RG316 在 700MHz 頻率上多損耗 1.6dB。在更高次諧波的情況下?lián)p耗更大。如果線纜長(zhǎng)度增加，那么在 700MHz 下的損耗也會(huì)相應(yīng)增大。這會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試造成巨大的影響，比如高次諧波會(huì)使得波形的邊緣很鋒利，從而導(dǎo)致時(shí)間變長(zhǎng)脈沖變寬。反過(guò)來(lái)說(shuō)，任何可以減短總體的信號(hào)路由路徑的方法都可以允許更多的諧波存在在信號(hào)上，波形也更不容易失真。

3.23

示例 — 解決方案

考慮到更長(zhǎng)的線纜可獲得更長(zhǎng)的支持服務(wù)期從而更有利于維護(hù)，那么縮短信號(hào)路由路徑的最有效的方法是什么呢？通常會(huì)權(quán)衡成本、系統(tǒng)針腳、靈活性和性能幾方面綜合考慮。

由于 ATE 開(kāi)關(guān)系統(tǒng)相當(dāng)于所有儀器輸入輸出的樞紐，因此通常會(huì)在用戶接口上占據(jù)最多的針腳。對(duì)于一個(gè)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，具有幾千個(gè)節(jié)點(diǎn)的情況并不稀有，因此在整個(gè)系統(tǒng)中用到的線纜數(shù)量也會(huì)是最多的。那么如果能縮短用戶端（或測(cè)試系統(tǒng)接收器）和系統(tǒng)之間的距離，系統(tǒng)整體的線纜長(zhǎng)度就會(huì)隨之減短，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)意義重大。

如果開(kāi)關(guān)卡和其他儀器卡一起放置在一個(gè) PXI 機(jī)箱中，可以考慮的縮短距離的一個(gè)方法是直接把機(jī)箱放在連接面板的后面。如果您使用的是 Virginia Panel 的連接面板或 MAC Panel 的海量互連接收裝置的話，也可以使用漏斗形裝置將開(kāi)關(guān)和接收器模塊集成在一起，從而大幅減少線纜的使用。從開(kāi)關(guān)出來(lái)的導(dǎo)線以很短的線程被包裹在漏斗形裝置中。盡管與分立線纜相比，帶有漏斗組件的海量互連的前期成本更高，但可以通過(guò)改善可維護(hù)性和性能來(lái)提高回報(bào)彌補(bǔ)成本（圖 9）。

圖 9 — PXI 射頻開(kāi)關(guān)模塊帶有集成的接收連接器（圖上為 MAC Panel Scout 系統(tǒng)）

最后，考慮開(kāi)關(guān)模塊拓?fù)渥鳛榭赡艿倪B接主干道來(lái)構(gòu)建開(kāi)關(guān)系統(tǒng)從而縮短線纜長(zhǎng)度的辦法也是比較聰明的。比如Pickering 的 40-749-511 射頻多路復(fù)用卡這樣的具有多個(gè) SP4T 開(kāi)關(guān)的模塊，可提供極佳的設(shè)計(jì)靈活性。然而，當(dāng)需要用到一個(gè)較大的多路復(fù)用模塊時(shí)，就需要延長(zhǎng)接到16個(gè)測(cè)試點(diǎn)的示波器通道，以及延長(zhǎng)用來(lái)連接這些模塊的接入或接出互連面板的線纜，那么路徑長(zhǎng)度和電容就會(huì)大大增加。在內(nèi)部被配置為大規(guī)模的多路復(fù)用器的開(kāi)關(guān)模塊，比如 Pickering 的 1x16 的 40-875-001，盡管限制了靈活性，但可以大大減少接線。（圖 10）

圖 10 — Pickering 的雙組 SP16T（左）和八組 SP4T（右）

因此，確保所選的開(kāi)關(guān)組件和信號(hào)路徑路由系統(tǒng)能夠提供足夠的凈空來(lái)滿足您要達(dá)到的測(cè)試要求是很重要的。同時(shí)也要考慮到您現(xiàn)在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能在將來(lái)還會(huì)用于其他用途。

3.3

插入損耗和阻抗不匹配

目前為止我們討論的都是系統(tǒng)的接線對(duì)整體的傳輸路徑完整性的影響。當(dāng)傳輸信號(hào)具有高頻成分時(shí)，值得關(guān)注的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)就是帶寬。帶寬根本上定義了能夠在一條傳輸線上通過(guò)的最高頻率的信號(hào)。在一個(gè) ATE 系統(tǒng)中，帶寬部分取決于信號(hào)路徑中各個(gè)連接點(diǎn)的插入損耗。開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)和互連為阻抗不匹配創(chuàng)造了充分的條件，使得系統(tǒng)帶寬降低。

一般針對(duì)在某個(gè)頻率上的插入損耗來(lái)指定觸點(diǎn)和開(kāi)關(guān)。在損耗為 -3dB 的點(diǎn)上，在這個(gè)頻率上的開(kāi)關(guān)上的功率為信號(hào)源輸出的功率的一半。試想多個(gè)繼電器匯集在一條信號(hào)路徑上，那么累積起來(lái)的插入損耗造成的影響是巨大的，哪怕對(duì)于低頻信號(hào)來(lái)說(shuō)造成的影響也是很可觀的。圖 11 顯示了兩塊 Pickering 開(kāi)關(guān)模塊的插入損耗曲線圖。一個(gè)是由獨(dú)立的SP4T開(kāi)關(guān)組成的多路復(fù)用模塊，另一個(gè)是由內(nèi)部串聯(lián)在一起的 SP4T 繼電器組成的 SP16T 的多路復(fù)用模塊。插入損耗是積累疊加的，并且 SP16T 模塊在 -3dB 點(diǎn)的有效帶寬也相應(yīng)降低。

圖 11 — 串聯(lián)的繼電器引起的插入損耗

非正弦波是由多個(gè)諧波組成的。即使是一個(gè) 140MHz 的方波也會(huì)被整體帶寬為 500MHz 的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)所影響。如前文提到的，由于高次諧波會(huì)導(dǎo)致波形邊緣的銳度受到抑制，從而影響方波的保真度。

因此，確保所選的開(kāi)關(guān)組件和信號(hào)路徑路由系統(tǒng)能夠提供足夠的凈空來(lái)滿足您要達(dá)到的測(cè)試要求是很重要的。同時(shí)也要考慮到您現(xiàn)在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能在將來(lái)還會(huì)用于其他用途。

3.4

高電壓

對(duì)于射頻系統(tǒng)，雖然線纜電容大范圍地分布在路徑上，但也經(jīng)常會(huì)對(duì)信號(hào)完整性造成影響。另外，電容也會(huì)在直流系統(tǒng)中造成嚴(yán)重破壞。在直流系統(tǒng)中，高壓信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器開(kāi)關(guān)測(cè)量設(shè)備。舉個(gè)例子，閉合一個(gè)多路復(fù)用器的繼電器將一個(gè)測(cè)量?jī)x器和一個(gè) 400V 的信號(hào)源連接起來(lái)，接下來(lái)輸入一個(gè)低電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。線路中的電容充電至跟信號(hào)一樣的電平，但在這種情況下，該電平處于高共模狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量結(jié)束，開(kāi)關(guān)隨即斷開(kāi)。然而，線纜沒(méi)有路徑可以釋放存儲(chǔ)的能量。當(dāng)下一個(gè)繼電器閉合與連接到被測(cè)設(shè)備上的低壓電路導(dǎo)通后，線纜快速地釋放能量，導(dǎo)致非常高的尖峰電壓。這類尖峰電壓（圖 12）周期很短且可到達(dá)幾千瓦 —— 足夠熔化繼電器觸點(diǎn)使其粘連，最糟的情況是損壞被測(cè)產(chǎn)品或測(cè)試儀器。

圖 12 — 高尖峰電壓會(huì)熔化繼電器觸點(diǎn)使其焊接粘連

要如何防止這種情況發(fā)生呢？一個(gè)常見(jiàn)的方法是將一個(gè)開(kāi)關(guān)通道專門用作放電電阻（圖 13）。每次高電壓測(cè)量結(jié)束后，在進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量之前，多路復(fù)用開(kāi)關(guān)都會(huì)切換到專用通道來(lái)釋放離散的電荷。每次測(cè)量都需要多進(jìn)行這一步操作，但為了防止不良的浪涌電壓，從利弊權(quán)衡的角度來(lái)看是值得的。

圖 13 — 使用一個(gè)放電通道來(lái)釋放存儲(chǔ)的電壓

4.0

千兆以太網(wǎng)和其他高速接口

千兆以太網(wǎng)、USB 和其他高速串行通信接口在汽車、半導(dǎo)體、國(guó)防和航天領(lǐng)域的產(chǎn)品上廣泛使用。由于這些信號(hào)可能是低功率高頻率的，要保持這些信號(hào)是個(gè)難題。USB 的規(guī)范參數(shù)原來(lái)最高為 12Mbps，而最新研發(fā)的 USB 4 的速度則計(jì)劃要比原本的快超過(guò) 3000 倍為最高 40Gbps。（圖 14）類似的，以太網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成可以在高速下操作，并且只需要很少的數(shù)據(jù)線。單對(duì)的以太網(wǎng)是針對(duì)汽車應(yīng)用的一種新興技術(shù)，目標(biāo)是像 CAN 總線或其他具有更少連接和更簡(jiǎn)單布線的標(biāo)準(zhǔn)一樣可以傳輸高速度的數(shù)據(jù)。

圖 14 — USB 4 要比原來(lái)的快 3000 倍

由于這些信號(hào)功率較低且頻率較高，需要在布線上特別花一些心思來(lái)保持這些信號(hào)。這類信號(hào)的連接還需要滿足不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組織規(guī)定的阻抗、性能和其他規(guī)范要求。USB 和以太網(wǎng)均使用雙絞線線纜從而減少來(lái)自其他信號(hào)的串?dāng)_和干擾。出于同樣的考慮，有些版本也要求在線纜上加屏蔽保護(hù)。然而添加了這些特性就會(huì)增加線纜的復(fù)雜度、尺寸和成本。通常在較大規(guī)模的測(cè)試應(yīng)用中必須要權(quán)衡這些利弊。

5.0

客戶定制線纜

一旦清楚了設(shè)計(jì)目標(biāo)以及決定了要權(quán)衡的利弊，接下來(lái)比較麻煩的就是設(shè)計(jì)線纜。很多公司不提供專門用于設(shè)計(jì)線纜、連接器和針腳的軟件工具。這會(huì)導(dǎo)致在設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)混亂或缺少細(xì)節(jié)，以及由于缺少文檔，很難對(duì)使用過(guò)的線纜進(jìn)行重置或標(biāo)準(zhǔn)化。

因此，尤其是在沒(méi)有內(nèi)部資源的情況下，測(cè)試團(tuán)隊(duì)就需要跟定制線纜的廠商合作請(qǐng)他們幫忙挑選元器件以及為完成的設(shè)計(jì)提供文檔。

5.1

Pickering Interfaces 的線纜設(shè)計(jì)工具 Cable Design Tool

除了上述的辦法以外還有一個(gè)辦法是使用 Pickering 提供的設(shè)計(jì)工具。Pickering 的線纜設(shè)計(jì)工具 Cable Design Tool允許用戶設(shè)計(jì)各種規(guī)格的線纜，包括定義連接器、導(dǎo)線和針腳。這款工具還可以生成包含材料價(jià)格和最終設(shè)計(jì)圖像的文檔。這份文檔可以幫助提高標(biāo)準(zhǔn)線纜的生產(chǎn)速度，還能被包含在測(cè)試平臺(tái)的定義中。（圖 15）

圖 15 — Pickering 提供的免費(fèi)的線纜設(shè)計(jì)工具

Cable Design Tool

6.0

總結(jié)

如果測(cè)試儀器和被測(cè)設(shè)備之間的路徑在電氣上是“不存在”的，那么測(cè)試信號(hào)路由就可以被當(dāng)作是完美的。當(dāng)然，這是不可能實(shí)現(xiàn)的。這里想要強(qiáng)調(diào)的是測(cè)試工程師必須要盡可能兼顧測(cè)試儀器和被測(cè)設(shè)備之間的方方面面，管理好整個(gè)測(cè)試通道，包括線纜、開(kāi)關(guān)子系統(tǒng)、連接器和海量互連產(chǎn)品。

要保證線纜和連接器類型跟應(yīng)用是匹配的，否則再好的開(kāi)關(guān)模塊都相當(dāng)于是沒(méi)用的。線規(guī)太小的導(dǎo)線會(huì)導(dǎo)致通道電阻增加以及嚴(yán)重的電壓降，從而影響測(cè)試結(jié)果。一條很長(zhǎng)的導(dǎo)線可能具有很大的電容和信號(hào)衰減，這可能會(huì)損壞開(kāi)關(guān)。當(dāng)線路放電時(shí)，甚至?xí)p壞被測(cè)設(shè)備。另外還會(huì)將快速上升的信號(hào)變成緩慢流動(dòng)的波形。劣質(zhì)的連接器很快就會(huì)壞，從而間斷性地導(dǎo)致一些問(wèn)題。電磁干擾可能會(huì)是個(gè)問(wèn)題，除此之外還有很多其他需要考慮的點(diǎn)。

選擇一個(gè)可以覆蓋一系列不同應(yīng)用要求且適合將來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展的靈活的測(cè)試平臺(tái)可以為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Pickering 的模塊化開(kāi)關(guān)可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供最大的靈活性，且提供的產(chǎn)品類型是業(yè)內(nèi)最豐富齊全的，包括從直流到光開(kāi)關(guān)。（圖 16）

圖 16 — Pickering 的模塊化開(kāi)關(guān)系列

最后要說(shuō)的是，在某些情況下，線纜是伴隨開(kāi)關(guān)模塊一起提供的。這些線纜是針對(duì)具體的模塊專門設(shè)計(jì)的。如果沒(méi)有提供配套線纜，那么最好要遵循開(kāi)關(guān)模塊的參數(shù)規(guī)范來(lái)定制或購(gòu)買線纜。Pickering Interfaces 公司擁有一個(gè)專門負(fù)責(zé)線纜和配件的部門以確保線纜和配件跟開(kāi)關(guān)模塊的規(guī)范相匹配，因此開(kāi)關(guān)模塊的性能不會(huì)因?yàn)榫€纜和配件的問(wèn)題而受到影響。