智能型PXI Switch Module在自動化測控系統中的應用

前言

使用繼電器模塊(Relay Switch Module)做為信號切換，廣泛地應用于IC測試、電力監測管理、工業流程與交通控制領域。

近年來隨著消費電子產品走向多樣化，生命周期縮短，價格(Cost)、速度(Speed)、靈活性(Flexibility)，成為自動測試設備(Automated Test Equipment, ATE)生存競爭的首要課題。在工業控制及相關應用領域，價昂、封閉規格的專用控制系統則面臨PC-Based測控解決方案開放、價廉與高效能的挑戰。

本文對繼電器信號切換所做的技術簡介與實例應用介紹，將使讀者了解架構于PXI系統上的智能型PXI Switch Module，對高效能測控所帶來的好處。

基本拓樸（Basic Topology）

構成Switch Module的開關具有多種形式，可粗分為電磁式與半導體式，前者包含電磁式機械繼電器(Electro-mechanical Relay)、磁簧繼電器(Reed Relay)，后者包含場效應晶體管開關(FET Switch)及固態繼電器(Solid State Relay)等。以下內容主要以電磁式繼電器為主。

常見的Switch Module的結構示意圖有下列三種：

General Purpose

如圖 1，這種結構采用多個相互隔離的單刀單擲型繼電器(SPST Relay)或單刀雙擲型繼電器(SPDT Relay)。一般做為開關控制電動機、風扇、燈光，或用于高壓高電流的切換。

Multiplexer/Scanner

如圖 2，為n進1出的多任務器/解多任務器型，適用于多組信號源必需使用同一個信號端口的情形，反之亦可。

Matrix

如圖 3，為m進n出的矩陣形式。相較于Multiplexer/Scanner，Matrix可進行多重信號的交換耦合，也可使用軟件規劃為其它兩種結構，適合架構復雜且高度靈活的測試設備。

對于高精度量測常使用2-wire及4-wrie接線模式，Relay Switch模塊會對差分信道進行特性匹配以獲得準確結果。

電磁式繼電器的切換瞬時特性

使用電磁式繼電器作為信號切換時，應先對其延遲特性有初步了解，方能獲得快速且準確的量測結果。使用者常以繼電器開關的動態導通電阻來估算理想的量測時間點，兩個重要的時間參數為（參考圖 4）：

1)Operate Time：驅動電路推動繼電器直至開關第一次閉合的時間，為A-B區段。

2)Bounce Time：繼電器第一次閉合直至開關彈跳(Bounce)結束的時間，為B-C區段。

實際上使用者可能會希望有充足的時間讓系統達到最終穩定狀態，則必需在C點后加入自定的穩定延遲時間(Settling Time)，從而最終采樣時間點將落在D點。因此，自驅動電路推動繼電器后，共需經過Operate Time +Bounce Time +User-defined Settling Time 才能進行有效量測。前兩項參數會因使用的繼電器種類、切換容量(switching capacity)改變，第三項參數則隨測試儀器與被測物的搭配而存在一定的差異。

為了提升測試系統的整體效能，使用者必需盡量縮短信號切換的時間，同時又要顧及信號完整性(signal integrity)。此外，主系統可能還需要提供大量運算資源進行數據處理分析、報表產生甚至處理圖形化人機接口。