将测试系统的成本降到最低及开发时间缩到最短，对目前的经济环境来说，是相当重要的事情，如果能为测试系统选择一套大小适中的切换及量测解决方案的话，就可以将系统设计、开发、除错和维护的成本降到最低。一套大小合宜的切换解决方案应该要能提供最适当的频道数、功能及特性，以便将机架的空间做最有效的运用。除此之外，也要具备一套功能组，以协助使用者将系统启用和除错的时间缩到最短。

《图一 低成本的切换解决方案》

切换的需求

真正需要的切换需求有多少？

系统设计一开始会先订出效能的要求，然后再由设计人员将这些效能要求转换成具有这些功能的硬体。在设计的过程中，测试仪器与待测物之间总是需要进行某些数量的信号绕接，一套测试系统中，相对于仪器数量所需的切换数量与种类几乎都会超过原先的想像。 (图二)是一个寻常的测试系统架构。

《图二 一般的测试系统架构》

由图二可以看出，负责切换的子系统其实占了系统设计工作与成本的一大部份，而且通常会需要用到多种的切换方式，也会需要各式各样的相关功能，如数位I/O、D/A转换器以及一些夹具的控制等。要将花在切换上面的投资最佳化就需要设计一个能提供所需的切换能力，又不会因为配置了大量未使用的频道而浪费成本的切换子系统。提供比设计所需还要多一些的频道容量向来是一种明智的做法，以便日后可以再增强系统的能力，或是因应新的设计变更之需。虽然如此，多出太多的频道不但会增加系统的成本，而且所能达到的投资回收率也很低。要评估切换解决方案的成本效益最好的方法是，计算出每个实际使用到之频道的成本。有些切换解决方案（如VXI和PXI）可提供很多的频道数以及相当大的切换弹性，但是每个使用到的频道成本却不一定是最低的，反而是模组式的机架和堆叠解决方案的初始成本（entry price）较低，比较符合成本效益。

切换子系统的选择

选择的标准为何？

选择切换子系统的第一个准则是决定所需的频道数、切换的种类以及各式各样相关的功能，记得还要提供多一些的频道，以供未来扩充之用。常用的经验法则是：每一种类型至少要提供两个额外的频道或是频道需求的10％，取两者中较大数目的那一个。

切换的速度也是一项重要的考量，磁簧继电器（reed relay）只需几毫秒即可完成切换，但许多通用型的电枢继电器（armature relay）往往需要数十毫秒才能切换完成，因此选用反应速度较慢的切换开关可能会对系统的速度造成不利的影响。另一种真正省时的方法为批次（batch）模式的切换控制，有些切换子系统可让使用者进行批次式的开/关操作，也就是多个切换开关几乎可以同时开启或关闭（在几微秒的时间内），而不必按照一个接着一个的顺序来开关。

另一个需要考量的切换功能是「先连接后切断」（make before break）或「先切断后连接」（break before make）。有些切换开关的制造商会自动提供这项功能，将它内建到韧体中，因此不需要额外的软体命令就可以做到，但有些制造商则需要使用者自行控制这项功能。

选择切换子系统的另一项重要考量是需要决定所需的其它相关功能。大部分切换子系统的制造商不仅会提供多种切换开关和配置方式，也会提供大量的额外功能以供选择，包括D/A转换器、计数器、数位I/O、函数信号产生器以及DMM等。

如果系统需要用到DMM的话，最好将它纳入变成切换子系统的一部份，而不是使用分开的仪器。透过这种方式可以省下好几个单位的机架空间，也可以减少系统的接线。在某些模组式的产品中（如VXI和PXI），DMM会占用一个或多个主机的插槽，但有些制造商则将DMM以选项的方式包含进去，可以安装在主机本身中。这种方法比较符合成本效益，因为它可以节省主机的插槽，留给切换和其它功能使用。

《图三 包含一个模拟的背板和内建DMM的切换/量测平台》

机架空间的使用是另一个可将成本降到最低的地方，许多设计人员会运用VXI或PXI来做为提供高密度测试系统的方法，以便将机架空间用到最极致。然而相对于机架和堆叠式的解决方案，采用VXI或PXI方式的切换子系统并不一定是最符合成本效益的解决方案。对某些应用而言，比较小巧、低成本的VXI切换解决方案反而是利用模组式硬体来满足系统切换的需求，然后运用VXI来进行需要高速背板的系统仪器化设计。比较和评估这些不同做法最好的方法是针对几种不同的系统配置方式，计算出每个机架单位的成本。

选择最佳化的切换解决方案时，系统I/O也是一项重要的考量。今日新的仪器通常会包含GPIB、USB和LAN介面，至于哪一种介面是最佳的选择要视介面的成本与效能的需求而定。 USB和LAN介面一般会比GPIB来得经济实惠，通常也能提供较高的传输速率。举例来说，GPIB介面在最佳的条件下只能以每秒1MB的速率传送资料，而且GPIB缆线的价位可能高达数十美金，还要再加上大约数百美金的介面卡，而USB和LAN缆线的传输速率则高出许多，且每条只要几块美金就可以买到。 USB2.0的速度可达每秒400Mbits，且大部分新的PC现在的标准配备都支援这种介面，同时，USB和LAN的缆线也比GPIB来得小和轻，拉线时会比较简单。

与切换子系统间的拉线是另一个主要的问题点，有些制造商会提供端子区块（terminal block），让缆线可以连接到一个螺丝型的端子台（terminal strip）上，有一些则是提供标准的连接器组件，或是两者都提供，有时候甚至会需要使用大量互连的系统。

无论是如何设计的，都需要大量的缆线和接线，因此系统拉线可能变成一件令人怯步的事情。在某些切换产品中可以发现的一项特色是类比背板的设计，类比的背板通常可以提供两组或多组的类比路径，可供卡槽箱（card cage）型产品内的多个模组存取使用。类比背板是一种相当简便的方法，可以大幅减少系统内需自行接线和拉线的需求，同时，如果有类比背板并内建DMM的话，则DMM就可以很容易地随处绕接，不需要透过外部的拉线。

如果所提出的测试系统有RF切换需求的话，那么就会有其它的设计考量。 RF系统有一些恶名昭彰的切换问题，如回返损耗和串音（cross-talk）等，缆线、连接器和切换开关都跟这种问题有关联。有些产品现在可提供远端切换控制的功能，让RF的切换开关能够放置在最靠近待测物之处，但仍然可以如同是在卡槽箱内一样地接受控制。如此一来，可以将系统内所需的昂贵RF拉线量降到最低的程度，同时减少因这些拉线所造成的错误。

另外，到底是在系统机架箱的前面或是后面拉线比较理想呢？有些产品与机架箱的设计在上架的方向上比其它产品有弹性。因此，必须先决定产品应用最适合的上架方式，然后确认所提出的解决方案不会有机构锁固的问题。

其他的选择考量

软体与维护

为测试系统选择硬体的组合时，除了明显的效能规格与设备成本之外，还有一些其它的考量。除了最初的投资以外，还有几项因素也必须纳入总持有成本中一并计算。举例来说，要学会如何配置和设定一部新仪器的困难度有多高？制造商是否能提供一些工具以协助工程师将学习产品配置与设定所需的时间缩到最短？某些配置设定方法（如VXI）的学习曲线就比典型的机架和堆叠式解决方案长得多，这些多出来的学习时间确实会提高系统开发的成本。

有许多方法可以协助缩短学习的时间，首先，制造商是否有提供线上的入门指引，以方便在尚未收到产品之前就可以开始学习如何使用及设定该产品？使用手册的内容够不够详尽、完整？这些手册能否在还没购买产品之前就先在线上阅览？是否有任何软体可以协助设计仪器的程式？

另外，也别忽略了测试程式除错可能会产生的困难度。在大部分的测试系统中，切换解决方案几乎都会与系统内的所有东西产生互动关系，因此有效的切换子系统除错工具可以即时地解决问题并节省许多成本。虽然VXI和PXI产品的某些插入介面卡可以支援软体式的控制面板，但基本上没有支援硬体的面板。当然可以将执行中的测试程式暂停下来，然后用欧姆计来追踪各个切换开关和接线，借此追查出信号，但这样做毕竟耗时又费事。如果有硬体或软体的控制面板，让使用者从面板监测和变更继电器的状态、扫描清单与DMM的设定等，而不需要修改测试程式的话，为系统除错的速度就会快得多。

现在许多新产品除了传统的GPIB介面之外，也支援USB和LAN介面，这些介面带来了新工具的需求，如多功能切换/量测平台的网页浏览器介面。网页浏览器是一种软体工具，可让使用者透过网路来查看和更改产品之切换开关、D/A转换器与DMM等的状态，完全不需要安装任何特殊的软体。使用者一次可以轻易地同时查看一片介面卡上所有切换开关的状态，而且必要时还能更改其状态，如(图四)。

《图四 切换适配卡的例子：网页浏览器接口》

此浏览器也可以用来产生程式命令，并且透过剪贴的方式贴到使用者的程式中。此网页介面几乎可在支援Java Script的所有平台和作业系统上执行，也就是可以支援Windows、Mac以及UNIX等作业系统。所有这些好用的功能都让网页介面成为功能强大的新工具，可用来学习、设计程式和进行程式除错等作业。

后续的系统维护成本在选​​择最符合成本效益的切换解决方案时往往会被忽略掉，举例来说，如果需要进行校准的话，是否不需要将产品由设备机架上移下来即可进行呢？如果要将一个切换盒的所有接线从机架箱上拔开并且搬下来，会是一件相当耗时的事情，而且如果DMM模组也必须从卡槽箱中移出才能进行校准的话，校准设备也会需要有类似的主机才能进行校准，这样一来可能会增加可观的额外成本。如果一部仪器在进行校准的时候，需要抽换另一部仪器来暂代，则备用品的成本也会成为另一项额外的成本。

韧体的升级是另一个需要考量的设计问题，想采用的解决方案是否支援韧体下载更新的功能？另外，需要更新时，是否能在系统完全配置设定好的状况下进行，还是必须将产品从系统上移下来才能做呢？

除此之外，完善的自我测试能力也很重要，可以确保产品能够如预期地正常运作。当然了，在切换子系统中，切换开关本身是最容易发生问题的零组件，诸如继电器计数器的工具可让使用者追踪切换开关反覆使用的次数。如果事先知道切换开关大约的使用寿命，那么计数器就能在开关尚未真的用到坏掉之前，让使用者预先告知作业员或维护技师开关已经快要逼近最终的使用期限了。

硬体失效是产品的面板或网页浏览器可发挥功效的另一个例子，这些工具不仅可以缩短一开始的系统除错时间，而且还能将后续的维护作业减到最少的程度。如果有LAN介面和网页浏览器的话，就可以透过网路轻松地从远端存取和控制系统，当测试系统所在的位置与工程支援团队有一段距离的时候，这样的能力对于系统监测和除错非常好用，尤其是需要进行海外生产时更是如此。

切换子系统的选择标准与考量点如下：

结语

追根究底，选择最合适的切换与量测解决方案需要针对切换子系统进行多方面的考量与取舍，包括从硬体效能的需求，到软体的支援和后续的维护成本等。往往大小合宜的解决方案最后都不是当初看起来最明显的选择，如果要得到最佳的成本/效能比的话，就必须针对几个可能的解决方案进行仔细的成本/效能分析。 （作者为Agilent信号源和电压计产品测试工程师）

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