选择合适的开关带宽
概述
使用PXI开关时，必须了解开关带宽特性对输入信号的影响，以及应用程序的要求。 确定应用程序所需的带宽并不总是那么简单，使用不符合应用程序信号要求的PXI开关可能会导致较差的信号波形质量。
本文介绍了开关带宽的含义、它如何影响不同的信号类型，以及如何预估带宽要求，以便为测试系统选择合适的NI PXI开关模块。
内容
什么是开关带宽？
开关带宽是开关以可接受的插入损耗和失真连接信号的频率范围。它通常由插入损耗达到-3 dB的频率指定。
大多数PXI开关都有带宽额定值，该值给出了正弦输入信号因插入损耗产生-3 dB衰减时的典型频率。高于该带宽额定值的频率可能具有更大的衰减。
例如，带宽额定值为10 MHz的开关表示该开关在10 MHz时的插入损耗为-3 dB。如输入信号为10 MHz，1 V峰峰值正弦波，输出信号为10 MHz，0.7 V峰峰值正弦波。
如输入信号不是纯正弦波且具有多个频率分量（如方波），应用额定值可能稍微麻烦一些。例如，方波的基频可能低于额定带宽，但某些谐波高于额定带宽。这些谐波将衰减到更高的程度，从而导致不同的上升沿和下降沿速率。
信号形状如何影响带宽要求
理想方波
理想方波就是多频率成分信号的经典范例。（见图1）假设一个基频为1 Hz、2 V峰峰值的方波。组成方波的频率分量是无穷的。它由加权谐波的和组成。
公式(1)显示了该和。
对于方波，仅使用奇数谐波项（例如，sin t、sin 3t、sin 5t等），其中频率以弧度/秒为单位。
图1. 1 Hz方波信号随时间变化
通过公式(1)，我们可以绘制几个谐波的和。图2显示了该方波由不同谐波正弦波的和近似而成：基频或1次谐波，1次、3次和5次谐波的和，以及1次至13次谐波的和。
图2.由正弦波构成的方波
达到第5次或第7次谐波后，边沿的斜率变化不大。对于频率成分已知的方波等信号，开关带宽应基于衰减或失真最小的最高谐波。如开关的选择基于理想1 Hz方波的7次谐波，可使用开关带宽额定值为7 Hz的开关。
根据经验，为方波选择等于7倍基频的开关。
估计所需带宽
上升时间带宽逼近
对于频率成分未知的其他信号，可使用上升时间逼近带宽。上升时间与开关带宽评级的关系近似如下：
tr是信号从幅值的10%到90%所需的时间。见图3。
图3.指数上升时间响应
对于图3所示的信号，上升时间约为0.22秒。
为了说明这种近似，可考虑图4所示的信号。
图4.上升时间（10%～90%）
从信号幅值的10%到90%的上升时间为0.039 s。 开关带宽额定值可近似为8.97 Hz。图3是图1所示1 Hz理想方波的1次、3次、5次和7次谐波之和。
系统响应
通过开关的信号被修改。修改或滤波的程度取决于信号和开关的综合响应。使用信号幅值的10%～90%的上升时间，系统响应可用下列公式表示：
Tsys、Tsig和Tsw分别为系统、信号和开关的上升时间。
为了最小化开关对信号的影响，开关带宽应大大高于信号带宽（即具有较短的上升时间）。
开关选择范例
假设信号上升时间为Tsig = 9 ns。
找到信号上升时间仅增加2%的开关带宽。
上升时间增加2%，系统上升时间为：
使用公式(3)可计算开关上升时间
通过公式(2)，开关带宽评级可近似为：
选择-3 dB带宽为193 MHz的开关，信号上升时间仅增加2%。
信号、开关和系统带宽关系
更广义地说，系统带宽可通过输入信号带宽(p)的允许降低来表示：
通过公式(2)和(3)可计算带宽：
将公式(4)中的Bsys代入公式(5)，开关带宽变为：
图5是这种关系的图形化表示。
图5.所需开关带宽
本范例仅考虑了由开关带宽引起的衰减。此处不包含阻抗不匹配的影响。
在本范例中，输入信号的-3 dB带宽为：
在图5中，为了将输入信号带宽降低2%，需要选择带宽为输入信号带宽5倍的开关：194 MHz。
开关带宽如何影响模块选择
选择开关解决方案时，开关带宽是一个重要的考虑因素。了解必须以最小衰减通过开关的最高频率对于保持信号完整性非常重要。
- 对于正弦波输入信号，开关带宽额定值为推荐的最高正弦波频率，衰减可能为-3 dB。如果需要小于-3 dB的衰减，请选择具有更高带宽评级的开关。
- 对于方波输入信号，必须考虑高频谐波以保持良好的信号边沿。对于给定的基频，选择带宽频率为基频7倍的开关。
- 对于其他输入信号，请使用本文档中介绍的上升时间带宽逼近。
后续步骤
广泛的NI开关模块产品组合可提供带宽和继电器技术，并针对广泛的测试应用进行了优化。浏览下列资源，了解NI开关产品组合、如何选择正确的继电器技术以及NI开关解决方案的优势。