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屏蔽和接地
为防止静电干扰预期信号,可能有必要采用静电屏蔽。尤其对于高阻抗电路、高频电路,以及混合信号应用中(高压信号可能会不经意被耦合至低电平信号,例如100Ω或更低),屏蔽非常重要。
高阻电路的切换应用包括小电流、高电阻和高阻抗电压应用。对高阻的最好解释是干扰会引起明显误差的阻抗水平。若开关、互连电缆和测试夹具没有合适的屏蔽,所产生的杂散信号(偏移)将威胁到被测信号。
利用连接到电路中一个低阻点的导体,将信号通路包裹起来,即实现了静电屏蔽,该低阻点最好是测量设备的LO输入端子。如果在电路中没有测量设备,那么则应该将屏蔽连接到源的LO输出端子。
为确保合适的屏蔽,请选择带有屏蔽连接器的开关卡,例如同轴或同轴三柱连接器。带有同轴或同轴三柱连接器的开关卡本身都是屏蔽的,并且通常会提供良好的通道间隔离。采用螺栓端子或连接头的开关卡不是屏蔽很好,因此一般不用于切换高阻电路。
此外,应该使用屏蔽电缆,例如同轴或同轴三芯,连接高阻装置或信号源和开关卡。高阻设备和信号源也必须是屏蔽的。所需的屏蔽程度将取决于环境中的干扰情况。马达、螺线管和其它装置可产生高压瞬态,需要更好的屏蔽。
在使用高频(> 1MHz)测试信号时,为了维持特征阻抗,并防止信号损耗,以及与邻近电路发生不必要的耦合(或串扰),避免影响测量准确度,也有必要使用屏蔽电缆。请使用合适阻抗的同轴电缆,并完全屏蔽测试夹具,以防大信号的漏泄。所有的屏蔽都应该连接到相应的接地层。
如果切换系统中会混合出现小电流、高电压和高频信号,屏蔽则非常关键。对于大多数开关卡,相邻通道间都具有小的电容。某个通道上出现的电压很容易耦合到相邻通道,并且会引起明显的误差。使高电压通道远离敏感的小电流通道,并使用良好屏蔽的开关,可将这种误差降至最低。
承载高测试电压的导体也应该采用屏蔽,以防止与邻近的低电平电路发生干扰。所以最常用的往往是同轴电缆。
从实质上讲,接地就是连接到大地(地电势)。该连接的主要目的是确保设备操作人员的安全。信号回路往往被认为是地,并且被作为“Common”(共用)或“LO”(低)端。实际上它可能连接也可能未连接到底。
屏蔽通常是“接地”的,也就是说,它们被连接到一个接地点。如果信号源或测量装置的回路侧被连接到相同点,干扰将最小。如果屏蔽和测量仪器之间存在一个交流电势差,则可能有电容性电流通过测量电路,增大干扰。
一般而言,在测量系统中应该只有一个点被连接到接地,以避免形成接地回路。
在将开关、仪器和测试夹具连接到一起后,就必须验证系统的性能。这一过程通常分两步完成:首先通过前面板手动进行,然后作为计算机控制的一个系统进行验证。所采用的验证程序取决于被切换信号和测量类型。以下提供了测量电阻、电压和电流的例子。
电阻测量
验证系统的第一步需要将一个已知阻值的电阻器置于测试夹具中。测试电阻网络的系统就是一个例子。个体电阻器阻值应该相似,但无需严格相同,以确保恰当地连接到了每个元件。例如,如果标称阻值全部为10 kΩ,那么相应的测试装置应该在通道1上为10.1 kΩ,通道2上为10.2 kΩ,等等。按照这种方式,如果某个通道连接不正确,则马上会发现。
如果被测电阻值的范围很宽,则必须采用接近上限和下限限值的电阻器进行测试。如果系统采用双端连接至设备,测量接近下限的电阻时,误差就会特别大,说明需要采用4端连接。这将需要两倍的开关,但是将会从测量值中消除开关和测量线电阻。
在上限处,若测量值低于预期值,则说明测试夹具、接线或开关卡中存在太大的漏泄电阻,必须采取相应的措施将该误差降低到可接受的程度。措施包括清洁测试夹具和增加电气保护。尤其是对于高阻测量,应该验证系统的稳定时间,使其足以提供所期望的准确度。
电压测量
对于电压测量,首先验证每个电压源都被连接到了正确的通道。确认通道连接正确的最直接方式是在每个通道上连接已知的电压。例如,对通道1施加1 V的电压,向通道2施加2 V的电压,等等。
为确定电压偏移不会对低电压(<1 mV)测量造成太大的误差,首先利用一个直接连接到伏特计的稳压源测量一系列的读数。然后通过开关系统的相应通道再读取一系列的测量值。比较两组测试值的标准偏差。利用一根干净的铜线作为短路,代替电压信号,即可对太大的电压偏移进行补偿。对于每个被短路的通道,读取至少10个电压读数,然后将其进行平均。保存平均值,并利用该值修正该通道上的测量读数。为保证修正的有效性,开关系统的环境温度必须保持相对恒定(上下几摄氏度范围之内)。
如果以上程序太过麻烦,则可以采用以下的方法:短路某一个通道,然后利用该通道的偏移值来修正开关卡上所有通道的测量值。
如果源阻抗非常高(1 MΩ或更高),如果系统存在明显的漏泄,则会发生严重的误差。为了确定是否发生了这种情况,可以首先通过该通道测量一个较低阻抗的电压源。然后则可以向低阻源串联一个和未知电压源相当的阻抗,并重复测量。将结果进行比较。如果差异较大,则请检查可能的原因,例如电缆漏泄或开关隔离电阻。保护有助于减小测量误差。在源电阻很高时,则有必要增大稳定时间延迟。
电流测量
对于电流测量验证,首先确保每一未知通路从测试夹具到安培表是完整的。如果使用C型开关(SPDT)的开关卡,则可以连接一个欧姆表代替每一通道上的未知源。验证通道未被选中时该通路的电阻非常小,典型值小于1 Ω.
下一步是每次向一个通道连接一个未知的电流源,并验证输出位于总体系统准确度限值范围之内。
对于小电流测量,开关卡、电缆和测试夹具会引起明显的偏移电流。为了检查每一通道的偏移电流,请断开未知源,盖住输入,然后每次激励一个通道,并利用连接到输出的安培表测量偏移电流。如果偏移电流太高,则有必要清洁通路上的开关和连接器(请参阅开关卡的手册)。如果偏移电流是适当稳定的,则可以从随后的测量值中减去该值,从而进行补偿。
此外,对于小电流切换,请在每次继电器触动之后预留足够的稳定时间,确保结果的准确性。
最终的系统验证
在完整地手动检查完系统之后,请验证计算机控制下的性能。这样能够暴露出软件中的可能误差,例如不正确的开关闭合或设备地址错误,以及定时问题、串扰太大,等等。
作为一项终程测试,通过系统测量大量的产品,然后手动重新测量不合格的部件,以及一小部分合格的部件来验证系统性能。
到此,即可认为系统是可以投入服务的。应该定期利用已知良好的装置测试系统,确保系统没有因为漂移而超出技术指标。
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