切换低电容测量时的注意事项

执行低电容测量的自动化测试系统(ATS)可能包括以下设备：

• DMM或电容测量设备，如LCR表
• 将信号从测试夹具连接至测量设备的开关
• 待测设备(DUT)的测试夹具
• 连接上述各个组件的连线

测量系统要求（例如，精度、速度和DUT数量）决定了ATS中使用的设备和线缆。 随着要求越来越严格，一般用例测量技术和开关配置可能无法提供足够的性能。 然后使用本教程中推荐的技巧和专门配置来达到预期的效果。

规划低电平电容测量时需要考虑许多因素。以下是最常见的注意事项。

选择硬件

电容测量设备的一个选项是NI PXI-4072 (NI 4072)。 NI 4072是一款6½位数字万用表(DMM)，带有测量电感和电容的内置LCR仪表。 电容范围为300 pF至10,000 uF，测量精度低至0.05 pF。 关于NI 4072执行电容和电感测量的详细信息，见电容/电感测量。

选择电容测量设备后，决定如何连线测试信号至该设备。 经济高效的标准化方法是在系统前端加入开关。

几乎每个ATS应用程序都使用某种类型的转换。 切换可实现自定义配置、快速连接，并能够以编程方式将大量通道连接至最少数量的测试仪器，从而提高系统性能，同时降低自动化测试系统的成本。例如，使用高密度NI PXI和SCXI开关模块，可将一个NI 4072自动连接至数百个DUT。 可更改连接速度以最大化吞吐率或精度，也可使用软件更改配置以运行后续测试。

National Instruments提供多种灵活、经济高效的开关模块。

开关拓扑结构

开关拓扑是开关模块中通道和继电器的组织表示。 一个或多个以各种拓扑结构配置的开关模块对于提供系统所需的连接点和功能是必要的。 关于可用拓扑及其相应配置的更多信息，见NI Switches Help。

开关电容测量有三种常见的拓扑结构：MUX、单极双掷(SPDT)和矩阵。 

MUX拓扑通常用于多通道测量应用，即多个通道一次连接一个测量设备。该拓扑可用于较大的电容测量。 但是，对于中低电平电容测量，寄生偏移可能会严重影响结果，因此MUX拓扑可能不再是最佳选择。 

SPDT和矩阵拓扑提供的系统配置有助于在执行中低电平电容测量时限制寄生偏移。本教程的高级考虑因素部分讨论了这些拓扑及其有用的配置。

补偿

在大多数ATS应用中，DMM将通过线缆、开关、接线盒和固定装置连接至DUT。 这些附加组件会增加寄生电容，从而在测量中产生不希望有的误差。 图1显示了系统中可能存在的其他残差的模型。 对于电容测量，我们主要关注寄生电容Cp，但可能需要考虑其他残余，具体取决于测试系统。 如果不考虑某些预防措施，Cp很容易达到大型开关系统的uF范围。 

^{图1：测试夹具残差的模型}

执行补偿可减少DMM和DUT之间的误差。 常用的两种补偿方法是偏移量归零和开路/短路补偿。 

如假定Rs和Ls可忽略，可使用偏移量归零或开路补偿。偏移量归零是指进行两次测量并减去测量结果，以消除测试系统中存在的并联电容（图1中的Cp）的影响。当DUT断开（开路）时进行初始“偏移”测量，当DUT连接时进行第二次测量。从DUT测量中减去初始偏移量可得到更精确的结果。

开路/短路补偿适用于假设系统误差是多种不同测试夹具残差的组合。 开路/短路补偿包含偏移量归零，还可测量DUT附近的连接是否短路。 该短路允许测量Rs和Ls。

注：与NI 4072配合使用的NI-DMM驱动程序可在进行开路和短路测量后自动补偿所有后续测量。

噪声和平均

进行低电容测量时，噪声和其他环境因素可能导致测量误差。 因此，应尽一切努力消除或保护系统免受噪声源的影响。 NI 4072具有预设的孔径时间，可用于电容测量。 如需更高的有效分辨率，可通过修改“LC测量次数至平均值”属性对多个采样进行平均。 通过在驱动程序中平均多个采样，可减少噪声对信号的影响。

使用具有低最小电流和低路径电阻规范的继电器

NI 4072 DMM提供少量测试电流以测量电容。应使用具有低最小电流规范的开关模块来保持一致的信号完整性。 

应使用低路径电阻规范的开关模块，以保持DMM和DUT之间的阻抗尽可能低。 但请记住，只要执行短时补偿，即可使用高路径电阻开关。

考虑接线盒连接

确保所选开关可干净连接至测试夹具。 NI开关有多种连接选项，包括前端安装接线盒和线缆。 NI还提供配套连接器的部件号，以便客户和第三方公司可以创建自己的互连。

隔离和连线

排列开关通道可减少DMM需补偿的电容。  并联开关通道是一种简单且常用的配置，但会导致寄生电容之和，且测量出错的概率更高。另一种配置选项不是将开关通道并行放置，而是将开关放置在树形结构中以防止寄生电容累加。 本教程的高级注意事项将对此进行进一步讨论。 

将开关通道隔离到不同的部分还可减少需要DMM补偿的电容。 由于总电容较小，可在DMM上使用较低的量程，从而提高测量精度。 使用该方法时，必须屏蔽不同通道段。

屏蔽式线缆可用于所有通道，以减少噪声和通道间电容的影响。 但是，屏蔽式线缆在导体和屏蔽层之间有一些电容，会增加通道对地电容。 通道对地电容的增加将导致DMM产生更大的偏移电容。 在每个通道上使用屏蔽式线缆之前，应考虑噪声和偏移电容之间的平衡。 屏蔽式线缆通常也较大，从而形成更大的测试夹具。

电缆受压、移动或相互摩擦时，压电和摩擦电效应会产生电势，导致读数错误。 使用扎带固定线缆，确保线缆不会四处移动。

注：如果单个线缆直径存在问题，微型同轴电缆可能是仪器和测试夹具之间的接口选项，因为它仍可提供屏蔽。

低电容测量系统通常需要使用专门的配置和补偿技术，以最小化寄生通道间电容和相邻DUT电容的影响。  

相邻电容和多路复用器拓扑

当电容性DUT连接至MUX拓扑中的多个通道时，进行低电容测量时，执行开路补偿的过程更为复杂。如下所述，MUX拓扑不适用于低电容测量。

测量单个电容DUT时，当DUT与测试夹具断开连接时，开路补偿补偿系统中的并联电容的影响。但是，当多个DUT连接到一个测试夹具时，开路补偿将变得更加复杂，因为其他DUT在开关连接开路时通过寄生电容耦合到系统中。因此，只需断开被测通道（仅开关继电器闭合的通道）上的DUT与测试夹具的连接，同时保持所有其他DUT与测试夹具的连接，即可进行开路补偿。由于必须为每个通道执行开路补偿，该过程可能很难执行。

图2描述了在多个DUT连接至相邻通道的系统中，尝试测量一个电容DUT的系统设置。 由于通道间寄生电容C_P2和C_P3串联，每个未测量的DUT C₂和C₃与待测DUT C₁并联。

^{图2：由寄生电容}引起的MUX潜在问题

正确实现C₁的开路补偿需要连接C₂和C₃。 这要求MUX打开通道1并关闭通道2和3。  MUX拓扑不允许这种配置状态，因此当需要精确的低电平开路补偿时不应使用该拓扑。

虽然MUX拓扑不能提供精确的低电平开路补偿，但SPDT和矩阵拓扑可以提供。此外，这两种拓扑降低了相邻DUT引起的并联电容。 

相邻电容和SPDT拓扑

SPDT继电器模块（如图3所示）可用于消除由通道间寄生电容引起的电容偏移。方法是将常闭(NC)接线端连接至公共参考。 由于所有未测量的通道都将连接至NC，因此电容两端将强制为0 V。 这将移除未测量的DUT，因为它们不再与通道间电容串联，因此不会影响测量。使用补偿可轻松从测量结果中删除剩余的寄生电容。

^{图3：使用SPDT拓扑减少寄生电容}的影响

注：使用该方法的一个要求是电容DUT必须端接到参考电势。

例如，使用NI PXI-2566 SPDT开关模块测量6个10 pF电容的DMM/开关设置成功实现了0.1 pF无噪声分辨率。 该SPDT系统可扩展为使用多个NI PXI-2566模块（每个模块配置为16x1 MUX），并将其级联以创建256通道交换系统。添加的通道越多，偏移电容就越高。但是，如果使用树形结构级联开关模块，将限制总偏移电容，并可能允许测量设备上使用更低量程。偏移电容是有限的，因为树形控件的每个分支都与其他分支隔离。

使用SPDT继电器的一个缺点是模块密度通常较低，因此系统尺寸可能较大。

相邻电容和矩阵拓扑

与SPDT方法类似，矩阵拓扑（如图4所示）可用于减少连接至系统的其他DUT引起的误差。 将公共参考连接至未测量的DUT两端也可实现该操作。 

^{图4：使用矩阵拓扑减少寄生电容的影响}

某些矩阵模块无法连接每个通道，因为它们只能提供足够的功率来激励一定数量的继电器。如果矩阵中只有部分继电器可以闭合，则所需信号连线和未闭合继电器之间的寄生通道间电容将导致一些误差，并导致不准确的开路补偿。 因此，仅考虑允许同时关闭每个继电器的矩阵模块（见下文的建议部分）。

补偿

补偿开关系统时，请注意系统中所有通道可能不相等。 因此，根据测量要求，在每个通道上使用一个补偿值可能不够。 可能需要对每个通道进行单独补偿，并将补偿值存储在软件中。 应定期进行补偿，并尽可能靠近DUT以获得最佳性能。

通过大系统电容测量小电容时，补偿仍能获得非常好的结果。 但是，系统电容可能会导致DMM使用更大的测量范围，从而降低最终测量的精度。 

始终尝试降低系统的偏移电容，尤其是低电平电容测量。 如在ATS中使用NI 4072测量100 pF DUT，理想情况下应使用300 pF量程以获得0.05 pF的精度。 但是，如果开关、线缆和夹具的电容为2 nF，则需要DMM的10 nF范围来测量和补偿偏移，该范围仅允许1 pF的精度。 总之，减少偏移电容，使DMM在更窄的范围内进行测量，并获得更好的分辨率。

设置低电容测量系统时，请遵循下列准则以获得最佳性能。 

开关模块推荐

根据电容测量精度要求，使用下列开关拓扑之一

• SPDT开关
• 允许同时关闭所有继电器的矩阵。 

仅当测量寄生偏移不会影响测量的高电容时才应使用多路复用器开关模块。

SPDT开关可用于创建要求最严格分辨率的系统，因为需要补偿的偏移电容通常较低，尤其是在使用树形结构时。偏移电容越小，测量范围越小，精度越高。 

对于大型通道计数系统，矩阵模块具有成本效益。 建议使用NI PXI-2529、NI SCXI-1129或NI PXI-2535等稠密矩阵模块，因为这些模块允许同时关闭所有继电器，并且多个模块可扩展至适当数量的行和列。

屏蔽式线缆推荐

屏蔽式线缆可创建一个笨重的测试夹具。 如果单个线缆直径存在问题，可考虑使用微型同轴电缆作为仪器和测试夹具之间的屏蔽接口。如将开关通道隔离到不同的部分，应使用屏蔽。

NI 4072以实惠的价格提供非常精确的电容测量。 PXI平台的灵活性允许用户选择最符合需求的开关。对于低电平电容测量系统，应选择SPDT或矩阵开关，它们允许对未测量的通道进行接地连接。这样可避免这些通道上的DUT引起额外的错误。 

不需要的寄生电容存在于每个测试系统中，但可以执行补偿以最小化其影响。 正确的补偿要求测试夹具和开关拓扑至少能够执行开路补偿。为了尽可能减少测试夹具产生的误差，请设计安全的线缆、尽可能缩短线缆长度、使用屏蔽并隔离不同的开关部分。

按照本教程中的建议，您应该能够设计和构建能够精确测量极低电容的系统。