测试测量（4）- 开关的拓扑结构

1 级联开关

级联开关通常用于将一个输入端连接到众多输出端中的一个，这种配置保证了一个输入端一次指挥哦连接到一个输出端上，其他的输出端之间都是相互隔离的。这种结构的弊端在于随着开关的位置不同，其信号的路径长度和隔离参数是不一样的，这就导致了再信号频率较高的时候通道之间参数的一致性不好。

2 多路复用

多路复用和级联开关的概念经常被混淆，这主要是因为低频开关厂商和微波开关厂商对其的定义有一些出入。

2.1 单通道多路复用

单通道多路复用一般来说允许公共端连接到任意一个其他的输出端上，即将一个仪器连接到任意一个其他的仪器上；在某些配置下，可以允许公共端同时连接到其他的多个输出端口上。但是在RF系统中，这样做通常来说意义不大，而且会造成RF参数的不稳定。一般来说多路复用是双向的，即输入输出端可以调换使用，没有方向的限制。

2.2 树形结构

树形结构是使用一系列继电器组成一个相对较大的多路复用。最简单的树形结构可以使用多个单刀双掷结构的继电器来扩充成更大的多路复用。在树形结构中，一般来说每一个通道都有有着相似的通道路径和其他的连接参数。所以这种结构多数用在高带宽的应用场景中。

3 矩阵

通常来说矩阵是最灵活的一种连接结构，它允许多个设备任意连接到多个测试端口上。早RF测试中通常会有一些限制，通常来说是输入和输出只能点对点连接，不能一点同时连接多个点，但是在一些带有功率分配器的配置中也可以一点对多点。

3.1 阻塞矩阵（稀疏矩阵）

矩阵灵活性高的代价是需要的开关的数量较多，所以成本会比较高，为了解决这个问题，一些厂家设计出了一种阻塞矩阵。如下图所示，输入端与输出端在同一时间只可以有一个设备相连接，其他的设备均不可连接。使用两个1分4的多路复用也达到了了矩阵输入输出可以任意导通的效果。也有厂家称这种结构为“稀疏矩阵”。

传统的矩阵没增加一行或者是一列，继电器的数量都是几何倍的增长，这无疑造成了巨大的成本浪费。因此我们可以考虑使用阻塞矩阵加全功能矩阵的方案去节省成本，对于没有办法采用阻塞矩阵的地方，使用全功能矩阵或者其他的方案去实现，这样可以大大降低矩阵连接中继电器的资源浪费。但是阻塞矩阵的劣势在于会对未来的功能扩展造成一定的浪费。

3.2 交叉点矩阵

交叉点矩阵是将继电器安装到行和列的交叉点位置，该继电器的功能是将行和列连接在一起，这种结构也因此而得名。这种矩阵没有特定的行或者列的连接数的限制，但是一般会有一个总共闭合继电器数的限制，这是由于每个继电器的线圈都需要一定的电流驱动，闭合的继电器越多所需要的总电流也就越大，当电流达到一定程度的时候就会超出电源可以提供的电流大小，从而导致节点无法闭合。

这种交叉点开关通常就被称为全功能矩阵开关，尤其是在行和列只有一个交叉点闭合的应用中。

3.3 模拟总线

通常情况下，Y轴被认为是单条模拟总线，在这种情况下，Y轴会连接到所有的X轴上。但是在一些特殊的设计中，通过某种拓扑结构，可以允许测试工程师将一个大的矩阵“拆分”成几个规模更小一些的矩阵，独立使用。要想实现这种功能，需要使用特殊的拓扑配置，在这种配置中，矩阵块Y轴添加了一些多余的继电器，这些继电器的作用是将不同组的矩阵块的Y轴挂载到Y轴模拟总线上，挂载到相同Y轴模拟总线上的矩阵块就会组成一个Y轴相连的大矩阵。这种配置的优势在于用户可以比较灵活的配置矩阵的大小，以及特定矩阵块的挂载位置，从而实现更为灵活的测试，如下图，客户可以将模块配置为一个矩阵或者是两个小一点的独立的矩阵。

3.4 短截线的长度

随着线路中通过的信号频率越来越高，矩阵的缺点也就变得越来越明显。交叉点矩阵的整条X轴和Y轴都是相连的，在高频信号下，这些轴的一部分线路就充当了未端接的传输端或者是“短截线”，这些结构往往会产生谐振从而影响整条线路的传输带宽。同时带宽的大小还取决于一条通路上闭合的交叉点继电器的数量。

在上图的案例中，一个测试设备通过Y3和Y4轴连接到被测件上。我们可以看到，整条Y轴和X轴都是相通的，尤其是Y轴，从X33到X432，有很长的一段距离并没有用到，在低频的时候无所谓，但是当信号频率比较高的时候，这部分导线会像天线一样，严重影响信号的质量并且带来串扰。所以矩阵制造商会根据这些问题来确定矩阵可以支持的最大带宽，并且也会考虑到最小短截线的问题。许多矩阵制造商使用隔离继电器来断开多余的连接，从而提高性能。在需要时用高频矩阵的时候就需要考虑到这些结构。

3.5 双刀矩阵

当我们切换差分信号或者是带屏蔽的信号的时候，双刀矩阵无疑是更好的选择。在双刀矩阵中，使用SPDT继电器代替传统交叉点矩阵中的SPST继电器。第二个应用是，当我们切换带有遥感的电压源时，也可以使用双刀矩阵，保证了电压源的输出端和遥感端同时切换。

当然，实现双刀矩阵的另一个方法是将单刀矩阵的每两条轴分为一组，然后同时编程控制，但是这是一种比较浪费资源的方案，步进良妃继电器，也会更加浪费空间。

3.6 使用交叉点矩阵进行测试

检查点矩阵允许将任意一条Y轴和X轴通过交叉点导通，这是一种非常有用的开关网络类型，原则上可以将矩阵上的任意两点连接起来。

如果测试系统使用矩阵的方法是将Y轴上的测试设备连接到X轴的被测件上，那么久需要非常大规模的矩阵，这里边用到的继电器的数量将会是一个大的惊人的数量，而矩阵的价格与继电器的数量又是正相关，所以价格也必将会难以接受。而且由于矩阵过大，其带宽会被限制到一个很低的水平。例如测试设备需要有32个端口，被测件有400个端口，如果按照传统的方法连接，那么就需要12800个节点，即12800个继电器。
然而在众多的继电器中，有些继电器也许永远也不会被用到，这就造成了很大的浪费。

以我们讨论的这个案例为例，如果我们把测试设备和被测件都接到X轴上，Y轴作为一个可以复用的通路，那么就可以大幅缩减矩阵的国模，X轴只需要432个交叉点，而Y轴的数量可以根据同一时间需要接入的最多的测试设备的通道数来确定。这样通过闭合两个继电器，也实现了矩阵的全部功能。用户可以通过缩减同时刻需要接入的最大数量的仪器通道数来控制Y轴的规模，一般来说4或者8通道就比较够用了，这样就将继电器的数量降低到了原来的四分之一左右，因为矩阵规模减小，所以成本降低，而且带宽也可以做得更高。这种方案，成本更低，也更为紧凑和灵活，唯一的不足是每个通路需要闭合两个继电器才能导通，会略微增加通路上的接触电阻，但是跟其优势比起来，这一点劣势几乎可以忽略。

3.7 “无短截线”矩阵

交叉点矩阵通常是通过网格状排列的SPST继电器阵列实现的。
无短截线矩阵通常是由树形的多路复用组成的，这些矩阵通常用在射频和微波这些信号频率较高的地方，可以获得较为良好的RF参数。但是这也造成了这些矩阵其实并不是全功能的矩阵，往往这些矩阵会限制同一个轴防线的连接。同时由于存在着大量的交叉线路，或者受限于同轴连接器的数量和体积限制，导致了这种矩阵很难在PCB上实现较大的规模。