HF-Switching - Signal-Verschaltung in Multikanal-Testsystemen

Die richtigen Weichen stellen: Viele Signal-Kanäle übersichtlich verwalten

Wenn man von Messtechnik und Test spricht, denkt man vielleicht zuerst an das klassische Messen in Werkstatt und Wartung, also: "Multimeter- oder Oszilloskop-Tastkopf an einen Messpunkt halten und Messwert ablesen". In der Industrie sieht das natürlich ganz anders aus. Hier spielen bei Messtechnik und Test andere Aspekte eine Rolle wie

• Automatisierung,
• sehr schnelles und zuverlässiges Messen/Testen,
• Messen an einer großen Zahl von Messpunkten eines Prüflings,
• sequenzielles Testen vieler Prüflinge,
• gleichzeitiges Messen an einem Prüfling mit verschiedenen Messinstrumenten,
• gleichzeitiges Stimulieren mit Test-Signalen.

Messen und Testen muss hier also vor allem schnell, automatisch, effektiv/produktiv, robust/zuverlässig und wiederholbar sein - und das bei einer Vielzahl von Kanälen/Messpunkten.

Was ist "Signal-Switching"?

Um viele Prüflinge und Messvorrichtungen - d. h. eine Vielzahl von Ein-/Ausgangs-Kanälen - sinnvoll, übersichtlich und automatisiert zu verwalten, ist ein gesteuertes "Routing" der Signale erforderlich. Es müssen zum Beispiel verschiedene Test-Geräte (HF-Power-Meter/Power-Sensoren, Signal-Analysatoren, Signal-Generatoren, Oszilloskope) mit mehreren Testpunkten eines oder mehrerer zu testender Objekte verschaltet werden. Dies umfasst im Wesentlichen drei grundlegende Anforderungen:

• Öffnen/Schließen eines Signalpfads.
• Multiplexen eines einzelnen Signalpfads in mehrere Pfade oder umgekehrt.
• Signal-Routing in verschiedene Übertragungspfade.

Was muss geschaltet werden?

Die zu verschaltenden Signale können ganz unterschiedlich sein. Von höheren Spannungen für eine Versorgung des Prüflings über AC- oder DC-Niederspannungen, TTL-Steuersignalen, Prüfsignale eines Signal-Generators bis hin zu HF-Signalen.

Gängige Switching-Topologien

• Umschalter: Signal-Routing von einem Kanal in zwei Pfade.
• Multiplexer (MUX, Multiport): Signal-Routing eines Eingangs-Kanals in viele Ausgangs-Pfade oder umgekehrt Signal-Routing eines Ausgang-Kanals in viele Eingangs-Pfade.
• Mehrfach-Umschalter: Signal-Routing von Signalen zweier Eingänge in zwei Ausgangs-Pfade.
• Bypass-Schalter: Zu- oder Wegschalten einer Testkomponente von einem Signal-Pfad.

Technische Realisierung:

• Elektromechanisch (EM): Steuerung des Schaltvorgangs per Spule/Magnetfeld.
• Halbleiter (Solid State) - Steuerung des Schaltvorgangs z. B. per PIN-Diode oder FET.

Exkurs: Relais - Schalter mit "Fernbetätigung"

Klassische, mechanische Relais sind Schalter, die über Strom elektromagnetisch gesteuert werden. Ein Relais verfügt dazu über mindestens zwei Stromkreise: Zum einen den "steuernden" Stromkreis zum Aktivieren des Schalters per Erregerspule, zum anderen den oder die zu schaltenden Stromkreis(e). Mechanische Relais haben unter anderem die Vorteile eines geringen Kontaktwiderstands, einer hohen Einschaltleistung und Überlastbarkeit sowie eines hohen Isolationswiderstands für eine sichere galvanische Trennung. Sie können von DC bis hin zu Hochfrequenz-Signalen schalten. Ihre Nachteile liegen bei einer begrenzten Lebensdauer/Schaltzahl durch Verschleiß, die mit dem Schalten verbundene Geräuschentwicklung, die Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen sowie höheren Abfall- und Ansprechzeiten gegenüber Halbleiter-Relais. Die Ausführungen reichen von Kleinrelais bis hin zu Schützen.

Neben den klassischen, mechanischen Relais gibt es viele weitere Ausführungen des Relais-Prinzips. Eine davon ist das Reed-Relais. Hier befindet sich der Schaltkontakt in einem Glasröhrchen in Vakuum oder Schutzgas. Das Betätigen des Kontaktes erfolgt mit einem von außen wirkenden Magnetfeld. Sie sind sehr zuverlässig und haben eine lange Lebensdauer. Halbleiter-Relais (SSR/Solid State Relays) arbeiten nicht mechanisch sondern sind elektronische Bauelemente auf Basis von Transistoren, Thyristoren, Triacs. Sie arbeiten geräuschlos, haben eine geringe Schaltverzögerung, kein Kontaktprellen und keinen mechanischen Verschließ.

Relais-Ausführungen

Für die Beschreibung der Kontakt-Konfiguration bei Relais ist die Bezeichnung mit den englischen Begriffen "Pole" (Kontakte) und "Throw" (Schaltpositionen) üblich. Oft wird auch der "Normal"-Zustand (Ruhe-Zustand offen/geschlossen) angegeben.

• SP - Single-Pole (einpolig).
• DP - Double-Pole (zweipolig).
• ST - Single-Throw (Ein-/Ausschalter).
• DT - Double-Throw (Umschalter).
• 4T oder xT - 4-fach/x-fach Throw (Mehrfach-Umschalter).
• NC - Normally closed, im Ruhezustand geschlossen/Ruhekontakt.
• NO - Normally open, im Ruhezustand offen/Arbeitskontakt.

Beispiele

SPST NO	SPST NC	SPDT	SP4T	DPST NO	DPDT

Ob in einer Switching-Anwendung EM- oder Solid-State-Technik zum Einsatz kommt, hängt von der Anwendung ab. Keine der beiden Technologien ist grundsätzlich die bessere, sondern abhängig von verschiedenen Anforderungen besser geeignet:

Switching-Anwendungen

Test, Qualitätssicherung, Produktion, Konformitätstest, Feld-Test. In Industriezweigen wie HF/Mikrowellen-Anwendungen, Automotive, Wireless/5G, Aerospace, Industrie, Life Sciences, Ausbildung, Forschung/Entwicklung etc.

Quelle: Nach Informationen von Keysight Technologies. Erschienen auch in der PC & Industrie Sonderheft Einkaufsführer Messtechnik und Sensorik 2021 im Beam-Verlag.

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