矩阵开关VS.多路复用器 - 如何正确地为测试系统选择开关?

　　首先一点是，无论是矩阵还是多路复用器都是一种开关拓扑结构。矩阵开关是很通用的。它能够将任何输入和任何输出进行连接。当后续的应用中需求发生了变化，那么只需要进行软件的改变就可以实现。并且简单的外围电路图显得很简洁。

　　不幸的是，当你希望在每个交叉点上使用一个继电器来实现大规模的开关矩阵的话，就会需要很多个继电器。这样的话物理尺寸和成本就会急剧的上升，甚至于超出控制范围。

　　一个比较划算的方法来实现矩阵是采用开关树的结构。但是这种树形结构需要每条连接线路都经过个别的继电器触点，这样的话就会明显的降低系统的精确性。这种精度的降低会以增加继电器的泄漏电流和热补偿电压这两种形式表现出来。同时，还要考虑将继电器触点和矩阵进行焊接所带来的风险，这是因为这里没有对多路复用器进行保护，而多路复用器中的所有继电器在自动打开前都会关闭选定的通道。

　　多路复用器的使用更加简单。它采用先开后合的顺序将n路输入中的一路转换到子总线上。然后用一组开关将子总线信号切换到测试卡上。如果包含了很多个输入，那么利用更多的子总线添加更多的扫描卡来实现。由于继电器的数量是合理的，因此，总的大小和成本也是可以接受的。

　　某些多路复用器允许将n选一的输入转换为4选1的输出(如图1)。更多的多路复用器还会提供一些软件工具来简化开关卡的控制。当输入状态为高阻抗的时候，多路复用器可能会产生一些遗漏问题，但是对于微弱信号基本上不会产生任何问题。

　　通用，高密度的开关

　　很多工程师喜欢选择高密度的开关，因为它适用于很多的应用。

　　有些问题并不是通过通过阅读说明书就能明显看出来的，但是这些问题会导致许多测量功能明显降低。由于高密度开关具有很高的温度偏置电压，因此在电阻温度检测(RTD)和热电偶测量中就会出现明显的功能退化。与广泛的被接受想法相反，使用四线电阻测量方法并不能完全消除温度偏置电压。第二个因素就是由于接近PCB的布线和继电器，高密度开关会产生更多的噪声。

　　图1 Signametrics公司的SMX4032的仪器技术开关卡

　　总之，高密度开关可以将许多功能压缩在一个很小的空间里，但是，它并不适用于微弱信号的精密检测应用中。

　　仪器开关是指通过低的电压偏差，低的接触电阻，低噪声和低交叉耦合来进行切换。如果要测量低于10Ω的电阻，比如在连续性测试中，要求小于1mΩ的电阻值和小于1µV的温度偏置电压。这看起来要求有些高，但是只要比这个值高的话，就会明显的降低系统的精度。

　　高密度通用开关的说明书通常情况下是不以仪器技术形式写出的。也就是说，制造商们并不认为这种开关适合应用在仪器技术中。

　　为什么说低热电动势和低接触电阻时至关重要的呢?如果你看一下7位半的DMM的说明书的话，你就会注意到它的测量精度可以达到几微伏。甚至一个比较好的5位半的DMM的精度也会达到50µV。如果将信号通过一个会引入100µV的误差的开关中，那么你的系统的精度只能是4位半所能达到的精度。

　　表1 不同开关配置的误差值

　　表1中说明了当你应用不同质量的开关对不同信号进行测量时，会引入多大的误差。从中我们可以看出，仪器技术开关所引入的误差比7位半的DMM所引入的误差还要小，而典型的高密度开关引入的误差相当于5位的DMM甚至更糟。

　　进行电阻测量时，电压要很低，一般要低于2V，这样做可以控制热量并且防止过高的电压打开连接在DUT上的半导体。也就是说，开关系统中的误差不仅影响低电阻(resistance

　　reading)，而会影响所有的resistance readings。

　　最有效的看待这些误差的方式就是它所占有的被测量的百分比数，如图2中所示。图中描述了电阻测量中不同开关卡的误差分布。它是由标准的万用表对电流和低于2V的电压进行测量得到的。图中的锯齿是由在比较高的电阻范围内降低测量电流而产生的。

　　图2 采用不同开关配置对电阻进行测量的误差分布

　　如图2所示，开关系统会使电阻测量的精度远低于预期值。但是，我们可以做一些事情来弥补这个不足：

　　很多DMM都有偏置欧姆的功能，这个功能可以部分地校正这个误差。这个会明显的增加测量时间和噪声。

　　一些DMM使用10mA的激励电流对低电阻值进行测量。这可以使在对低于20Ω电阻时的误差值减小10-fold，而在此刻的误差值是最大的。

　　同普遍知道的相反，使用四线电阻测量方法并不能改变那些误差。四线测量只能消除在测量过程中由test-lead

　　resistance产生的误差;而对于减小测量过程中的电压误差没有任何作用。