將測試系統的成本降到最低及開發時間縮到最短，對目前的經濟環境來說，是相當重要的事情，如果能為測試系統選擇一套大小適中的切換及量測解決方案的話，就可以將系統設計、開發、除錯和維護的成本降到最低。一套大小合宜的切換解決方案應該要能提供最適當的頻道數、功能及特性，以便將機架的空間做最有效的運用。除此之外，也要具備一套功能組，以協助使用者將系統啟用和除錯的時間縮到最短。

《圖一　低成本的切換解決方案》

切換的需求

真正需要的切換需求有多少？

系統設計一開始會先訂出效能的要求，然後再由設計人員將這些效能要求轉換成具有這些功能的硬體。在設計的過程中，測試儀器與待測物之間總是需要進行某些數量的信號繞接，一套測試系統中，相對於儀器數量所需的切換數量與種類幾乎都會超過原先的想像。(圖二)是一個尋常的測試系統架構。

《圖二　一般的測試系統架構》

由圖二可以看出，負責切換的子系統其實佔了系統設計工作與成本的一大部份，而且通常會需要用到多種的切換方式，也會需要各式各樣的相關功能，如數位I/O、D/A轉換器以及一些夾具的控制等。要將花在切換上面的投資最佳化就需要設計一個能提供所需的切換能力，又不會因為配置了大量未使用的頻道而浪費成本的切換子系統。提供比設計所需還要多一些的頻道容量向來是一種明智的做法，以便日後可以再增強系統的能力，或是因應新的設計變更之需。雖然如此，多出太多的頻道不但會增加系統的成本，而且所能達到的投資回收率也很低。要評估切換解決方案的成本效益最好的方法是，計算出每個實際使用到之頻道的成本。有些切換解決方案（如VXI和PXI）可提供很多的頻道數以及相當大的切換彈性，但是每個使用到的頻道成本卻不一定是最低的，反而是模組式的機架和堆疊解決方案的初始成本（entry price）較低，比較符合成本效益。

切換子系統的選擇

選擇的標準為何？

選擇切換子系統的第一個準則是決定所需的頻道數、切換的種類以及各式各樣相關的功能，記得還要提供多一些的頻道，以供未來擴充之用。常用的經驗法則是：每一種類型至少要提供兩個額外的頻道或是頻道需求的10％，取兩者中較大數目的那一個。

切換的速度也是一項重要的考量，磁簧繼電器（reed relay）只需幾毫秒即可完成切換，但許多通用型的電樞繼電器（armature relay）往往需要數十毫秒才能切換完成，因此選用反應速度較慢的切換開關可能會對系統的速度造成不利的影響。另一種真正省時的方法為批次（batch）模式的切換控制，有些切換子系統可讓使用者進行批次式的開/關操作，也就是多個切換開關幾乎可以同時開啟或關閉（在幾微秒的時間內），而不必按照一個接著一個的順序來開關。

另一個需要考量的切換功能是「先連接後切斷」（make before break）或「先切斷後連接」（break before make）。有些切換開關的製造商會自動提供這項功能，將它內建到韌體中，因此不需要額外的軟體命令就可以做到，但有些製造商則需要使用者自行控制這項功能。

選擇切換子系統的另一項重要考量是需要決定所需的其它相關功能。大部分切換子系統的製造商不僅會提供多種切換開關和配置方式，也會提供大量的額外功能以供選擇，包括D/A轉換器、計數器、數位I/O、函數信號產生器以及DMM等。

如果系統需要用到DMM的話，最好將它納入變成切換子系統的一部份，而不是使用分開的儀器。透過這種方式可以省下好幾個單位的機架空間，也可以減少系統的接線。在某些模組式的產品中（如VXI和PXI），DMM會佔用一個或多個主機的插槽，但有些製造商則將DMM以選項的方式包含進去，可以安裝在主機本身中。這種方法比較符合成本效益，因為它可以節省主機的插槽，留給切換和其它功能使用。

《圖三　包含一個類比的背板和內建DMM的切換/量測平台》

機架空間的使用是另一個可將成本降到最低的地方，許多設計人員會運用VXI或PXI來做為提供高密度測試系統的方法，以便將機架空間用到最極致。然而相對於機架和堆疊式的解決方案，採用VXI或PXI方式的切換子系統並不一定是最符合成本效益的解決方案。對某些應用而言，比較小巧、低成本的VXI切換解決方案反而是利用模組式硬體來滿足系統切換的需求，然後運用VXI來進行需要高速背板的系統儀器化設計。比較和評估這些不同做法最好的方法是針對幾種不同的系統配置方式，計算出每個機架單位的成本。

選擇最佳化的切換解決方案時，系統I/O也是一項重要的考量。今日新的儀器通常會包含GPIB、USB和LAN介面，至於哪一種介面是最佳的選擇要視介面的成本與效能的需求而定。USB和LAN介面一般會比GPIB來得經濟實惠，通常也能提供較高的傳輸速率。舉例來說，GPIB介面在最佳的條件下只能以每秒1MB的速率傳送資料，而且GPIB纜線的價位可能高達數十美金，還要再加上大約數百美金的介面卡，而USB和LAN纜線的傳輸速率則高出許多，且每條只要幾塊美金就可以買到。USB2.0的速度可達每秒400Mbits，且大部分新的PC現在的標準配備都支援這種介面，同時，USB和LAN的纜線也比GPIB來得小和輕，拉線時會比較簡單。

與切換子系統間的拉線是另一個主要的問題點，有些製造商會提供端子區塊（terminal block），讓纜線可以連接到一個螺絲型的端子台（terminal strip）上，有一些則是提供標準的連接器組件，或是兩者都提供，有時候甚至會需要使用大量互連的系統。

無論是如何設計的，都需要大量的纜線和接線，因此系統拉線可能變成一件令人怯步的事情。在某些切換產品中可以發現的一項特色是類比背板的設計，類比的背板通常可以提供兩組或多組的類比路徑，可供卡槽箱（card cage）型產品內的多個模組存取使用。類比背板是一種相當簡便的方法，可以大幅減少系統內需自行接線和拉線的需求，同時，如果有類比背板並內建DMM的話，則DMM就可以很容易地隨處繞接，不需要透過外部的拉線。

如果所提出的測試系統有RF切換需求的話，那麼就會有其它的設計考量。RF系統有一些惡名昭彰的切換問題，如回返損耗和串音（cross-talk）等，纜線、連接器和切換開關都跟這種問題有關聯。有些產品現在可提供遠端切換控制的功能，讓RF的切換開關能夠放置在最靠近待測物之處，但仍然可以如同是在卡槽箱內一樣地接受控制。如此一來，可以將系統內所需的昂貴RF拉線量降到最低的程度，同時減少因這些拉線所造成的錯誤。

另外，到底是在系統機架箱的前面或是後面拉線比較理想呢？有些產品與機架箱的設計在上架的方向上比其它產品有彈性。因此，必須先決定產品應用最適合的上架方式，然後確認所提出的解決方案不會有機構鎖固的問題。

其它的選擇考量

軟體與維護

為測試系統選擇硬體的組合時，除了明顯的效能規格與設備成本之外，還有一些其它的考量。除了最初的投資以外，還有幾項因素也必須納入總持有成本中一併計算。舉例來說，要學會如何配置和設定一部新儀器的困難度有多高？製造商是否能提供一些工具以協助工程師將學習產品配置與設定所需的時間縮到最短？某些配置設定方法（如VXI）的學習曲線就比典型的機架和堆疊式解決方案長得多，這些多出來的學習時間確實會提高系統開發的成本。

有許多方法可以協助縮短學習的時間，首先，製造商是否有提供線上的入門指引，以方便在尚未收到產品之前就可以開始學習如何使用及設定該產品？使用手冊的內容夠不夠詳盡、完整？這些手冊能否在還沒購買產品之前就先在線上閱覽？是否有任何軟體可以協助設計儀器的程式？

另外，也別忽略了測試程式除錯可能會產生的困難度。在大部分的測試系統中，切換解決方案幾乎都會與系統內的所有東西產生互動關係，因此有效的切換子系統除錯工具可以即時地解決問題並節省許多成本。雖然VXI和PXI產品的某些插入介面卡可以支援軟體式的控制面板，但基本上沒有支援硬體的面板。當然可以將執行中的測試程式暫停下來，然後用歐姆計來追蹤各個切換開關和接線，藉此追查出信號，但這樣做畢竟耗時又費事。如果有硬體或軟體的控制面板，讓使用者從面板監測和變更繼電器的狀態、掃描清單與DMM的設定等，而不需要修改測試程式的話，為系統除錯的速度就會快得多。

現在許多新產品除了傳統的GPIB介面之外，也支援USB和LAN介面，這些介面帶來了新工具的需求，如多功能切換/量測平台的網頁瀏覽器介面。網頁瀏覽器是一種軟體工具，可讓使用者透過網路來查看和更改產品之切換開關、D/A轉換器與DMM等的狀態，完全不需要安裝任何特殊的軟體。使用者一次可以輕易地同時查看一片介面卡上所有切換開關的狀態，而且必要時還能更改其狀態，如(圖四)。

《圖四　切換介面卡的例子：網頁瀏覽器介面》

此瀏覽器也可以用來產生程式命令，並且透過剪貼的方式貼到使用者的程式中。此網頁介面幾乎可在支援Java Script的所有平台和作業系統上執行，也就是可以支援Windows、Mac以及UNIX等作業系統。所有這些好用的功能都讓網頁介面成為功能強大的新工具，可用來學習、設計程式和進行程式除錯等作業。

後續的系統維護成本在選擇最符合成本效益的切換解決方案時往往會被忽略掉，舉例來說，如果需要進行校準的話，是否不需要將產品由設備機架上移下來即可進行呢？如果要將一個切換盒的所有接線從機架箱上拔開並且搬下來，會是一件相當耗時的事情，而且如果DMM模組也必須從卡槽箱中移出才能進行校準的話，校準設備也會需要有類似的主機才能進行校準，這樣一來可能會增加可觀的額外成本。如果一部儀器在進行校準的時候，需要抽換另一部儀器來暫代，則備用品的成本也會成為另一項額外的成本。

韌體的升級是另一個需要考量的設計問題，想採用的解決方案是否支援韌體下載更新的功能？另外，需要更新時，是否能在系統完全配置設定好的狀況下進行，還是必須將產品從系統上移下來才能做呢？

除此之外，完善的自我測試能力也很重要，可以確保產品能夠如預期地正常運作。當然了，在切換子系統中，切換開關本身是最容易發生問題的零組件，諸如繼電器計數器的工具可讓使用者追蹤切換開關反覆使用的次數。如果事先知道切換開關大約的使用壽命，那麼計數器就能在開關尚未真的用到壞掉之前，讓使用者預先告知作業員或維護技師開關已經快要逼近最終的使用期限了。

硬體失效是產品的面板或網頁瀏覽器可發揮功效的另一個例子，這些工具不僅可以縮短一開始的系統除錯時間，而且還能將後續的維護作業減到最少的程度。如果有LAN介面和網頁瀏覽器的話，就可以透過網路輕鬆地從遠端存取和控制系統，當測試系統所在的位置與工程支援團隊有一段距離的時候，這樣的能力對於系統監測和除錯非常好用，尤其是需要進行海外生產時更是如此。

切換子系統的選擇標準與考量點如下：

結語

追根究底，選擇最合適的切換與量測解決方案需要針對切換子系統進行多方面的考量與取捨，包括從硬體效能的需求，到軟體的支援和後續的維護成本等。往往大小合宜的解決方案最後都不是當初看起來最明顯的選擇，如果要得到最佳的成本/效能比的話，就必須針對幾個可能的解決方案進行仔細的成本/效能分析。（作者為Agilent信號源和電壓計產品測試工程師）

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