隨著智慧城市、智慧工廠以及物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，開關(guān)系統(tǒng)的生產(chǎn)商正面臨越來越大的壓力，以確保他們的儀器設(shè)備能夠適應(yīng)最新的應(yīng)用。開關(guān)在任何一個(gè)自動測試系統(tǒng)中都是關(guān)鍵部分，其技術(shù)創(chuàng)新從系統(tǒng)和子系統(tǒng)級別擴(kuò)展到芯片和繼電器級別。

在自動測試系統(tǒng)中，開關(guān)使測試資源能夠被測試設(shè)備有效的共享。這是一個(gè)簡單的概念，但是許多小的因素決定了針對每個(gè)應(yīng)用或獨(dú)立的測試任務(wù)最合適的開關(guān)系統(tǒng)。無論是測試與測量儀器、軍事設(shè)備、通訊系統(tǒng)、汽車電子產(chǎn)品還是醫(yī)療設(shè)備，選了一個(gè)合適的開關(guān)系統(tǒng)，對每個(gè)工程師來說都是一個(gè)挑戰(zhàn)。供應(yīng)商存在的意義就是幫助工程師選擇合適的開關(guān)系統(tǒng)。一旦開關(guān)系統(tǒng)選擇完畢，供應(yīng)商就會越來越多的增加他們公司自己的軟件來幫助最大化系統(tǒng)的優(yōu)勢及潛能。

Pickering Interfaces公司的產(chǎn)品技術(shù)專家，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟主席Bob Stasonis先生談到影響高密度開關(guān)系統(tǒng)的其它幾個(gè)關(guān)鍵因素。

“隨著復(fù)雜的電子控制單元（ECU）在所有電子行業(yè)-尤其是汽車、航天和半導(dǎo)體行業(yè)的普及，加上不斷增加的產(chǎn)品上市時(shí)間壓力，使用實(shí)時(shí)硬件在環(huán)（HIL）系統(tǒng)對ECU進(jìn)行自動的功能驗(yàn)證就變得越來越重要。在大多HIL系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵組成部分是自動故障仿真，Pickering Interfaces看到了用于多數(shù)量IO的ECU測試的高密度故障注入開關(guān)需求越來越大，尤其在自動化和航空航天工業(yè)方面。”

Bob Stasonis先生繼續(xù)談到：“Pickering經(jīng)常根據(jù)客戶的需求將開關(guān)密度做到極限，高密度開關(guān)模塊的新趨勢包括日益增長的帶寬需求和在一些市場尤其是半導(dǎo)體工業(yè)上，對隔離電阻的驗(yàn)證。目前，我們平均的隔離電阻規(guī)范為10^9Ω。我們的一些BRIC高密度矩陣的隔離電阻測試出來要高于10^11Ω。”

Trending 趨勢

我們在Electronic Engineering上咨詢了一些領(lǐng)先的電子測試和測量的儀器供應(yīng)商關(guān)于他們所看到的高密度開關(guān)系統(tǒng)的最新或者在未來1-2年內(nèi)所期望看到的趨勢。以下是他們在最近的新聞發(fā)布會上告訴我們或者說過的話：

Grant Gothing，chief technology officer at Bloomy：“大型航空航天和汽車電子方面的HIL測試使得OEMs和航空航天制造商能夠更快的開發(fā)和驗(yàn)證新的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以應(yīng)對被測試單元真實(shí)情況下可能出現(xiàn)的一些情況。HIL測試一大部分是真實(shí)模擬切換和故障注入。真實(shí)模擬切換意味著每個(gè)I/O點(diǎn)必須能夠在模擬的模型驅(qū)動信號和真實(shí)的組件（執(zhí)行器、傳感器、控制器等）之間進(jìn)行物理切換。故障注入開關(guān)需要注入各種故障（開路、斷路、引腳短路、反極性、短接地、與軌道短路、相鄰信號短路）來確保被測設(shè)備反應(yīng)適當(dāng)。這些需求意味著需要大量的開關(guān)，每一個(gè)簡單的2線模擬信號可能需要6-12個(gè)繼電器，以確保能夠排除故障和真實(shí)模擬連接的所有交換。提高開關(guān)密度和可擴(kuò)展性對開發(fā)大型汽車發(fā)動機(jī)和航空航天HIL測試系統(tǒng)至關(guān)重要?！?

Mike Dewey, director of marketing at Marvin Test Solutions：“總體而言，我們看到高密度交換系統(tǒng)正繼續(xù)向像MAC Panel SCOUT的無電纜界面轉(zhuǎn)移。高密度開關(guān)切換系統(tǒng)需要高密度的I/O，從電纜接口轉(zhuǎn)移到無電纜接口以確保足夠的性能并提供可靠的接口?？蛻粢蟮耐ǖ罃?shù)越來越多，也就要求供應(yīng)商尋找更小體積的繼電器，以及識別更高密度的I/O連接，這對3U形式的PXI來說是一個(gè)特別的挑戰(zhàn)?！?

Nick Turner, CEO of Cytec：“總體來說，我們最近在這個(gè)領(lǐng)域上沒有接觸更多的需求。雖然許多客戶希望設(shè)備盡可能的小，但是他們最關(guān)心的還是性能和價(jià)格，尺寸往往在優(yōu)先級列表中比較低。我們看到這三個(gè)方面是大型開關(guān)組中的一個(gè)問題，在大型開關(guān)的作用下人們想要分組切換更大數(shù)量的線纜，舉例：一個(gè)1*16的開關(guān)一次切換250個(gè)線纜，在最終用戶想要交叉連接數(shù)百個(gè)輸入和數(shù)百個(gè)輸出時(shí)使用的高密度通信矩陣，以及大電流開關(guān)。在更小的尺寸中完成這些工作的固態(tài)技術(shù)正變得越來越普遍，成本也越來越低?！?

John Brown, application engineer at Tektronix：“關(guān)于開關(guān)和數(shù)據(jù)采集發(fā)展趨勢，我們看到電壓、溫度、電阻等基本測試需求有更多相同之處，這些需求為其他的一些研究奠定了基礎(chǔ)。許多強(qiáng)大的ASIC設(shè)備要求儀器硬件工程師創(chuàng)建增強(qiáng)特性，如在指定儀器的用戶界面上更詳細(xì)和可視化的數(shù)據(jù)顯示。隨著更高額容量應(yīng)用程序需求的增加，客戶關(guān)注的是可以提供更大的開關(guān)通道數(shù)和更快的切換速度的解決方案?！?

Vijay Kulkarni, CEO of GL Communications：“隨著互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的爆炸式增長和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，更高密度的開關(guān)需求在不斷增長。隨著千兆以太網(wǎng)接口的增加，供應(yīng)商們正在推出帶有千兆以太網(wǎng)接口的開關(guān)產(chǎn)品，帶有12或者24千兆端口的以太網(wǎng)開關(guān)設(shè)備變得越來越普遍。另外一個(gè)趨勢是對更高的數(shù)據(jù)容量的需求，10千兆以太網(wǎng)連接變的越來越普遍，越來越多的用戶從1G轉(zhuǎn)變到10G。高密度千兆以太網(wǎng)開關(guān)設(shè)備通常有2或4個(gè)10G接口。并且，當(dāng)最終用戶在其辦公場所切換到“ALL 10G”環(huán)境時(shí)，有4/8/16/24個(gè)10G端口的高密度“ALL 10G”的開關(guān)設(shè)備也將被配置?！?

Trade-offs 取舍

為了支持更高的密度，供應(yīng)商常常不得不在其他開關(guān)方面做出犧牲，比如降低信號振幅和最高頻率。

Pickering公司的Stasonis提到在將高密度設(shè)計(jì)和低密度模型進(jìn)行對比時(shí)，需要考慮很多因素。更大的板卡空間-如VXI模塊-將導(dǎo)致更長的信號路徑，這將增加路徑電容，最終導(dǎo)致帶寬降低。

他補(bǔ)充說像PXI這種更高密度的形式將有更好的帶寬，因?yàn)镻CB的信號路徑更短，但是缺點(diǎn)就是組件之間的距離更新，可能會增加串?dāng)_。另外，在非常高密度的設(shè)計(jì)中，PCB的路徑將會挨得非常近，因?yàn)楦綦x度也將會降低。選擇的繼電器類型會影響隔離電阻。

Stasonis 提到“高開關(guān)密度會導(dǎo)致更低的熱/冷切換電壓，主要是因?yàn)槿缟纤龅脑诜浅Ｃ芗慕Y(jié)構(gòu)中，因?yàn)槠渌M件的臨近，較高的電壓會表現(xiàn)出更高的串?dāng)_，因此生產(chǎn)商降低了熱/冷切換電壓來管理串?dāng)_。”

Stasonis接著詳細(xì)闡述了高密度開關(guān)系統(tǒng)中Trade-offs的總體概念，以及他的公司是如果致力于提供客戶指定的的開關(guān)解決方案，而不是像只是提供一個(gè)平臺選擇那樣的Trade-offs。

Stasonis 提到“一般來說，認(rèn)為更大的板載空間（如VXI）會比PXI帶來更高的性能的想法是不正確的。每一種設(shè)計(jì)都有它的利弊。應(yīng)用程序和需求指標(biāo)需要表明需要的是高密度設(shè)計(jì)或者低密度設(shè)計(jì)。這是Pickering有許多可選方案的原因之一；我們是一個(gè)提供開關(guān)解決方案的公司，不受任何特定體系結(jié)構(gòu)的約束。我們使用正確的平臺來適配客戶的需求，而不是讓客戶將特定的平臺硬塞進(jìn)他們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。如果一個(gè)應(yīng)用需要更高的密度和/或更高的功率和/或更高的電壓，而PXI平臺無法滿足時(shí)，我們能夠在我們的LXI系列產(chǎn)品中提供更大形式的解決方案?！?

以上就是其他供應(yīng)商們在trade-offs上提到的觀點(diǎn)。

Brown, Tektronix：“這里是Tektronix的Keithley分部。我們在幾年前就解決了固態(tài)切換的需求，但更重要的是服務(wù)于期望有更快的切換速度以便在更短的時(shí)間內(nèi)完成高質(zhì)量測試的客戶。這有助于在某些情況下提升更大的吞吐量，例如在生產(chǎn)環(huán)境中的功能測試，在這種環(huán)境中，僅提高密度不能滿足客戶的需求。開關(guān)系統(tǒng)供應(yīng)商獲取更高開關(guān)密度（一般來說，是更多通道）的一種方法是利用硬件中可用的不同觸發(fā)方式。這允許用戶使用菊花鏈來連接多個(gè)單元來增加通道序列；或者讓他們在臨界時(shí)間上并行觸發(fā)/切換?！?

“當(dāng)一個(gè)新的開關(guān)選項(xiàng)（板卡或者模塊）集成到現(xiàn)有的主框架中時(shí)，設(shè)計(jì)者將考慮如何針對更小的開關(guān)設(shè)備來優(yōu)化PCB空間，路徑電阻/開關(guān)電流以及任一/所有涉及到的組件的功耗和散熱。”

Jon Semancik, director of marketing at Ametek Programmable Power：“固態(tài)開關(guān)有一些優(yōu)勢，如切換速度、壽命，但是其他關(guān)鍵的操作參數(shù)，如帶寬、泄露電流等會限制他們在某些高性能應(yīng)用中的使用?！?

其它因素

雖然測試系統(tǒng)占用的空間大小很重要，但是它的靈活性、可靠性和成本也很重要。以下是供應(yīng)商們關(guān)于公司提出的降額建議不得不說的話，以及在與更大形式因素和更高密度的相關(guān)技術(shù)帶來的性能優(yōu)勢上的一些想法。

Stasonis, Pickering：“對于需要長壽命功能的國防和其他高可靠性的應(yīng)用，應(yīng)該適當(dāng)?shù)慕档皖~定值。降低多少取決于應(yīng)用程序—例如設(shè)備將受到高功率和/或電壓峰值的影響。Pickering Interfaces可以就在設(shè)備必須運(yùn)行的操作環(huán)境和條件下針對合適的產(chǎn)品給出建議。”

“性能優(yōu)勢取決于具體的測試應(yīng)用，但通常情況下，高密度開關(guān)系統(tǒng)的信號路徑更短，可以獲得更好的信號完整性和更低的信號路徑電容。然后，另一方面，高密度開關(guān)產(chǎn)品可能導(dǎo)致較低的隔離電阻。使用的開關(guān)模塊也會影響其性能。舉個(gè)例子，如果將多個(gè)模塊一起布線形成一個(gè)高密度矩陣，因?yàn)樾盘柭窂介L度和使用的布線會引起電容的增加進(jìn)而影響其整體性能。使用像Pickering BRIC這樣具有獨(dú)特的形式/因素的開關(guān)模塊將會提供更好的模擬性能，Y軸上的智能隔離繼電器將最小化存根長度，這可以在高頻情況下提高信號完整性?！?

Turner, Cytek：“盡管固體繼電器在降低其尺寸和成本上取得了一定的進(jìn)步，但一個(gè)開關(guān)系統(tǒng)的尺寸大小仍有許多其他的限制因素，不管開關(guān)本身的尺寸降低到多小。這些因素包括：

連接器密度和配置。如果一個(gè)人想要一個(gè)256*1的多路復(fù)用，但是前面板需要257個(gè)連接器的空間。如果他們想要的不是高密度連接器，那么繼電器有多小就不重要了。他們?nèi)匀恍枰呛虰NC數(shù)量或者螺桿終端連接器的機(jī)架高度的產(chǎn)品。另一方面，如果他們需要一個(gè)64*64的矩陣開關(guān)，他們需要4096個(gè)開關(guān)，但只是128個(gè)連接器，所以使用非常小的繼電器或者高密度的開關(guān)結(jié)構(gòu)可以節(jié)省大量的空間。

電壓和電流。固態(tài)繼電器在小電壓和小電流的應(yīng)用中為減小開關(guān)系統(tǒng)的體積做了很大的貢獻(xiàn)。我們有一個(gè)256*256數(shù)字TTL矩陣，在大概1平方英寸的FPGA上面有65536個(gè)開關(guān)。但是固態(tài)繼電器與更大一些的機(jī)械繼電器相比，往往只是應(yīng)用于特定的應(yīng)用中，在相同的封裝尺寸下，后者往往可以處理幾百V的電壓和幾A的電流。固態(tài)繼電器熱切換電流可能無法處理任何高壓信號。在高電壓下工作良好的會有更高的電阻。高電壓會抵消固態(tài)繼電器的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樾枰诮M件和連接器之間進(jìn)行物理分離之后再處理電壓。

頻率。小型固態(tài)RF繼電器在射頻領(lǐng)域開辟了另一個(gè)有利可圖的市場，因?yàn)樗梢苑浅？焖俚倪M(jìn)行切換并且在高頻下工作良好，但是它們常常不可以處理DC或者大功率信號。所以，再次印證了它僅僅在特定應(yīng)用中使用。一旦進(jìn)入高頻領(lǐng)域，你就又會收到連接器的限制。雖然最新的微型同軸連接器可能適用于您的手機(jī)天線，但是在人們習(xí)慣使用BNC、F、SMA連接器的機(jī)架安裝測試設(shè)備中，使用它們可能會變得很棘手。

Brown. Tektronix：“關(guān)于降低掃描速率，用戶應(yīng)該特別注意有關(guān)掃描速率的規(guī)范細(xì)節(jié)。雖然核心萬用表規(guī)范往往側(cè)重于最佳的默認(rèn)系統(tǒng)設(shè)置，以提供最高質(zhì)量讀數(shù)的洞察力，但切換可能會影響質(zhì)量。我們盡了最大的努力來確?？蛻糁?，當(dāng)掃描/切換速率較高時(shí)，可能會有一些得失。為了獲得更大的速度，我們可以禁用測量自動延遲和自動調(diào)零，或減少測量孔徑時(shí)間。這將有助于加快數(shù)據(jù)采集，但增加了信號噪聲不被從讀數(shù)中消除的可能性。在這個(gè)領(lǐng)域取得成功的關(guān)鍵是靈活性和降低每個(gè)通達(dá)的成本?！?

Semancik Ametek：“可用來開關(guān)解決方案的物理空間直接受到所使用的接口的影響。舉個(gè)例子，PXIe板卡上面只有有限的區(qū)域用于實(shí)際開關(guān)切換部分，因?yàn)楸仨殲閿?shù)字接口和空間提供空間。另一方面，根據(jù)供應(yīng)商的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，LXI提供了更大的空間。在基于PC的架構(gòu)(如PXle)中，一般的空間縮減會直接影響串?dāng)_和信號隔離等參數(shù)。減少信號路徑和其他設(shè)計(jì)特征之間的間距，如地面平面的布置，將會嚴(yán)重影響帶寬和噪聲?！?

Gothing Bloomy：“Bloomy的HIL仿真系統(tǒng)解決方案是基于模塊化的架構(gòu)，使用了大量的儀器和開關(guān)板卡。通過使用這種模塊化的架構(gòu)，Bloomy的HIL仿真平臺可以按比例放大或縮小以滿足客戶的需求，此外，通過混合和匹配具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的板卡，還可以建議切換架構(gòu)來滿足需求?！?

Kulkarni, GL Communications：“這種高密度1G/10G開關(guān)的測試需要相應(yīng)的高密度測試設(shè)備，具有高密度的端口。為了正確地測試這種高密度開關(guān)，測試設(shè)備必須能夠同時(shí)在其所有1G/10G端口上以1Gbps或10Gbps的速度產(chǎn)生和處理通信量。也就是說，要測試一個(gè)12或24端口的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，測試設(shè)備必須能夠在所有12/24端口上產(chǎn)生Gbps速率，同時(shí)能夠處理交換機(jī)返回的流量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總?cè)萘繛?4Gbps或48Gbps。同樣的，測試一個(gè)3/6個(gè)10G端口的交換機(jī)，需要總共60/ 120Gbps的流量能力。”

Now on the market 市場現(xiàn)狀

隨著固態(tài)開關(guān)和超小型繼電器的性能不斷提高，使得開關(guān)組件的密度越來越高。對于開關(guān)儀器的供應(yīng)商來說，這需要不斷地進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，并利用它們來開發(fā)新的密集開關(guān)解決方案。

以下是測試測量儀器供應(yīng)商針對最新的高密度開關(guān)產(chǎn)品的看法：

Pickering Interfaces提供高密度的測試與仿真產(chǎn)品，但它的姐妹公司Pickering Electronics是最新開關(guān)元件器的供應(yīng)商。Pickering Electronics開發(fā)和生產(chǎn)微型舌簧繼電器，最新型號是120系列，據(jù)Stasonis講述該系列產(chǎn)品是工業(yè)上1A尺寸最小的繼電器（長3.9mm，寬3.9mm，高15.5mm）。Stasonis 提到“與pickering之前的高密度1A開關(guān)相比，這個(gè)繼電器使得在PCB上的繼電器數(shù)量幾乎增加了一倍，為我們的客戶提供了強(qiáng)大的功能?！?Pickering舌簧繼電器還包括Mu金屬屏蔽層，以確保辦卡上非常緊密封裝的開關(guān)之間沒有干擾?！斑@是至關(guān)重要的，因?yàn)槲覀兎?wù)的許多應(yīng)用都是“關(guān)鍵任務(wù)”-這就意味著絕對不可以失敗” Stasonis 繼續(xù)說道。

Pickering Interfaces使用新的120系列繼電器的第一個(gè)產(chǎn)品是超高密度的PXI矩陣模塊， 40-559系列BRIC矩陣，在PXI模塊中提供了多達(dá)4096個(gè)交叉點(diǎn)。與Pickering之前的1A BRIC矩陣40-562A相比，40-559的開關(guān)密度幾乎是40-562A的兩倍（1.94倍）。除了密度，120系列一個(gè)更大的優(yōu)勢是電流額定值比其他同等尺寸的繼電器高4倍多。有2槽，4槽或8槽的PXI大小可供選擇，這些PXI矩陣可以使得一個(gè)完整的功能ATE系統(tǒng)封裝在一個(gè)3U的PXI機(jī)箱中。

2018年，Pickering生產(chǎn)除了2A的PXI故障注入開關(guān)模塊，可以允許11或22個(gè)信號對通道。這些模塊主要用于模擬汽車和航空電子設(shè)備測試應(yīng)用中涉及安全關(guān)鍵控制器可靠性測試的故障情況。Pickering公司最近還推出了65-221高密度模塊化LXI以太網(wǎng)舌簧繼電器矩陣，最初設(shè)計(jì)該矩陣是為了在晶圓和封裝層面測試半導(dǎo)體。該解決方案結(jié)合了Pickering最新的LXI機(jī)箱及其新的插件矩陣。

Marvin Test Solutions剛剛為其GENASYS switch系列產(chǎn)品推出了一個(gè)額外的模塊——GX6188，它具有一個(gè)8*104矩陣加上一個(gè)額外的8*8矩陣，用于促進(jìn)多塊開關(guān)板卡的“聯(lián)合”以構(gòu)建更大規(guī)模的矩陣。此卡可作為6U PXI系統(tǒng)的一部分或GENASYS系統(tǒng)的一部分進(jìn)行集成。MTS的Dewey指出GENASYS架構(gòu)地址靈活性和可靠性的原因是通過端到端的開關(guān)切換軟件- SwitchEasy，簡化了從儀器到被測單元（UUT）的信號路由，并且防止可能損壞系統(tǒng)或UUT的信號的路由或連接。此外，GENASYS子系統(tǒng)還包括用于計(jì)數(shù)和記錄繼電器閉合總數(shù)的機(jī)載電路，為預(yù)測繼電器壽命提供了預(yù)測數(shù)據(jù)。

今年4月，Tektronix推出了新的DAQ6510數(shù)據(jù)采集和萬用表系統(tǒng)。Brown指出，該系統(tǒng)占地面積小，靈活性強(qiáng)，只有半機(jī)架寬，最多可提供80個(gè)多路復(fù)用器通道。DAQ6510有大量的連接頭，在其開關(guān)模塊部分引入了許多D型連接器，可在系統(tǒng)維護(hù)期間或在設(shè)置新的測試系統(tǒng)時(shí)更改插件切換模塊，從而最小化停機(jī)時(shí)間。與此同時(shí)，Keithley將于2018年7月發(fā)布3700A系列系統(tǒng)開關(guān)/萬用表，包括基礎(chǔ)3706A系統(tǒng)開關(guān)/萬用表主機(jī)，以及增加靈活性的三個(gè)選項(xiàng)。這臺主機(jī)包含6個(gè)插槽，可插入2U高(3.5英寸/89毫米)外殼的板卡，以適應(yīng)中通道或高通道計(jì)數(shù)應(yīng)用程序的需要。當(dāng)滿載時(shí)，主框架可以支持多達(dá)576條雙線多路復(fù)用通道或2688條單極矩陣交叉點(diǎn)。

對于Cytec來說，Turner無法談?wù)撛摴咀罱槍蛻舻拈_關(guān)解決方案的細(xì)節(jié)，但他分享了有關(guān)其特制的DXM/128x128矩陣的信息。用于切換空線通信信號標(biāo)準(zhǔn)。它是一種非阻塞的、全扇形輸出矩陣，用于衛(wèi)星地面站和重定向信息。該系統(tǒng)目前正在部署最新的GOES-R氣象衛(wèi)星。

聲明：本文為從英文翻譯過來的文章，素材摘抄自Electronic Engineering February 2019期刊中的部分內(nèi)容。原文作者：By Mike Hockett, Editor-in-Chief，本文譯者：虹科Tina