Umschalten von Low-Level-Signalen auf ein DMM

Für alle Arten von Low-Level-Messungen gibt es einige Methoden, die angewendet werden sollten:

• Verwenden Sie abgeschirmte Kabel mit hochohmiger Isolierung. Die Isolierung sollte vorzugsweise ein nicht feuchtigkeitsabsorbierendes Material wie Teflon sein.
• Alle Messungen sollten durchgeführt werden, nachdem das Gerät (DMM und Schalter) mindestens 15 Minuten warmgelaufen ist. Danach ist darauf zu achten, dass sich die Umgebungstemperatur möglichst innerhalb von 1°C nicht nennenswert ändert.
• Verwenden Sie Softwarefilter und Rauschunterdrückungsverfahren. Oft kann ein konstanter Offset gemessen und aus der Messung heraus in Software kalibriert werden. Wenn extrem niedrige Signale gemessen werden, sollten die Messungen pro Pfad kalibriert werden. Wenn Sie die Messapertur Ihres Digitalmultimeters erhöhen, erhöht sich die Mittelwertbildung und Sie erhalten einen genaueren Messwert.
• Halten Sie Kabel und Leitungen von potenziellen elektromagnetischen Störquellen wie Steckdosen.

Die wichtigste Überlegung bei der Messung von Niederspannungen ist die thermische EMK oder die Offset-Spannung des Relais.

Thermische EMK

Beim Zusammenfügen zweier unterschiedlicher Metalle entsteht eine Spannung. Diese Spannung wird als thermische elektromotorische Kraft (EMK) oder Seebeck-Spannung bezeichnet. Die Seebeck-Spannung ist abhängig von der Temperatur der Kontaktstelle und der Zusammensetzung der verbundenen Metalle. Die spezifischen Metall-Metall-Übergänge ergeben spezifische Temperaturkoeffizienten (μV/°C), auch Seebeck-Koeffizienten genannt. In der folgenden Tabelle sind die gebräuchlichsten Metalle und ihre jeweiligen Seebeck-Koeffizienten aufgeführt.

Thermische EMK in Schaltern

Die Leitungen elektromechanischer Relais bestehen üblicherweise aus Metalllegierungen, meist Nickel-Eisen-Legierung, während die Leiterplatte eines Schaltmoduls üblicherweise aus Kupfer oder Kupferlegierung besteht. Die Verbindung zwischen diesen beiden unterschiedlichen Metallen erzeugt ein Thermoelement, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Hinweis Ein in einem Relais entwickeltes Thermoelement hängt von der Temperatur der Kontaktstelle ab. Die Temperatur einer Kontaktstelle hängt von der Umgebungstemperatur, der Anzahl der aktivierten Relais, dem Luftstrom innerhalb des Schaltmoduls und den Typen der Schaltmodule in den benachbarten Slots ab.

Ein Signalweg kann ein oder mehrere Relais transversieren. Die Summe aller Thermoelemente in einem Signalweg wird als thermische EMK ausgedrückt. Thermische EMK kann als Single Path (ein Draht) oder Differential Path Thermal EMF angegeben werden. In der folgenden Abbildung sehen Sie die in einem Pfad gemessene thermische EMK.

In der folgenden Abbildung sehen Sie die in einem differentiellen Pfad gemessene thermische EMK.

Weitere Hinweise zur Minimierung der thermischen EMK finden Sie unter "Sonstige Tipps und Techniken zur Niederspannung".

Gleichspannungsanteil

Die vorstehenden Ausführungen gelten für elektromechanische Anker- und Reedrelais. FET- und SSR-Schalter haben keine thermische EMK im gleichen Sinne wie Reed- und Ankerrelais. Sie haben jedoch aufgrund der Erwärmung von Transistoren in der Relaisschaltung eine Offset-Spannung. Diese Offset-Spannung ist vergleichbar mit der thermischen EMK von Anker- und Reedrelais und wird in der gleichen Einheit ausgedrückt, so dass wir den thermischen Offset zwischen allen vier Relaistypen vergleichen können.

Für das gesamte Schaltmodul werden Nennspannungen für thermische EMK oder Offset angegeben. So hat das NI PXI-2503 beispielsweise eine thermische EMK von <2 μV. Dies ist nicht die thermische EMK für jedes Relais im Schaltmodul, sondern für das gesamte Modul. Darüber hinaus wird dieser Wert auch als Worst-Case-Schätzung angesehen, da der Signalpfad je nach Topologie des Schalters und des gewählten Kanals eine variable Anzahl von Relais durchlaufen kann.

Zusätzlicher Hinweis zur Genauigkeit

Beachten Sie bei der Spannungsmessung mit einem Schalter und einem DMM die thermische EMK bei der Berechnung der Gesamtgenauigkeit des Systems.

Wenn das DMM beispielsweise eine Genauigkeit von 4 μV hat und der Schalter eine differentielle thermische EMK von 3 μV hat, kann die Gesamtsystemgenauigkeit wie folgt berechnet werden: √(42 + 3²) = 5 μV

Bei der Messung eines 50-mV-Signals beträgt die Systemgenauigkeit somit 0,01 %.

Welche Relais werden für Low Voltage verwendet?

Elektromechanische Ankerrelais haben einen vergleichsweise geringen thermischen Offset von <1 μV bis etwa 10 μV. So hat z. B. der Ankerschalter NI PXI-2503 einen thermischen Offset von <2 μV. Darüber hinaus werden Latch-Relais gegenüber nicht rastenden Relais bevorzugt, da die fehlende Spulenheizung EMF minimiert, was Ihre Messungen beeinträchtigen kann.

Reedrelais haben traditionell eine höhere thermische EMK: von etwa 5 μV bis weit über 50 μV. Dies liegt an den ferromagnetischen Materialien, aus denen Reedrelais aufgebaut sind. Der Reedschalter NI PXI-2530B hat beispielsweise einen thermischen Offset von 50 μV.

FET-Relais haben einen thermischen Offset näher am elektromechanischen Anker. So hat beispielsweise der FET-Schalter NI PXI-2501 einen thermischen Offset von 2,5 μV.

SSR-Relais haben einen höheren thermischen Offset als elektromechanische Anker oder FET-Schalter. Der SCXI-1128-SSR-Schalter hat beispielsweise eine Offset-Spannung von <25 μV von 0 °C bis 25 °C.

Obere Niederspannungsauswahl

PXI-2501 Multiplexer/Matrix, PXI-2503 Multiplexer/Matrix, PXI-2527 Multiplexer

Alle oben aufgeführten Schalter haben einen geringen thermischen Offset und eignen sich hervorragend für Messungen mit niedriger Spannung. Das PXI-2501 hat den zusätzlichen Vorteil einer extrem schnellen Schaltung: Die Relaisabtastrate beträgt 15.000 Perioden/s gegenüber 100 Operationen/s bei den elektromechanischen Ankerrelais (PXI-2503, PXI-2527). Der thermische Offset für die Ankerrelais ist jedoch im allgemeinen etwas geringer als der für die FET-Schalter.

Weitere Tipps und Techniken zur Niederspannung

Eine gängige Messtechnik für sehr genaue Messungen ist das Durchführen einer Messung, Vertauschen der Leitungen, Wiederholen, Subtrahieren und Mittelwertbildung der Messwerte.

Thermische EMK wird immer in Verbindungen vorhanden sein, aber durch die Erinnerung, dass sie temperaturabhängig ist, können Fehler minimiert werden. Wenn sich die Temperaturen nicht ändern, ist die thermische Spannung stabil und kann korrigiert werden. Es sind Temperaturänderungen zwischen diesen Kontaktstellen, die Probleme verursachen (wie Offset-Drift, Instabilität und sehr niederfrequentes Rauschen). Der Schlüssel zur Vermeidung von Temperaturänderungen besteht darin, zirkulierende Luftströme zu verhindern, die das thermische Gleichgewicht der Kontaktstellen stören können. Dies führt zu einer weiteren Regel für Niederspannungsmessungen: Halten Sie Knotenpunkte und Verbindungen auf einer stabilen Temperatur und fern von zirkulierenden Luftströmen, die durch Bewegungen, Lüfter usw. verursacht werden. Diese Temperaturunterschiede können verhindert werden, indem eine „thermische Schikane“ erzeugt wird, z. B. indem die Verbindungsstellen mit üblichen Schaumstoffpolstern umhüllt werden (auch Styroporplatten funktionieren) und von Wärmequellen wie Kühlkörpern und Sonnenlicht ferngehalten werden.

Wenn Kupfer oxidiert, kann sich der Seebeck-Koeffizient leicht um mehrere hundert μV/°C erhöhen. Dies führt zu einer weiteren Regel für Niederspannungsmessungen: Halten Sie die Verbindungen sauber. Eine Möglichkeit ist, den blanken Draht einfach mit einem Radiergummi zu reinigen, bis er glänzend ist, und dann alle Gummifragmente mit einem Papiertuch zu entfernen. Eine andere Möglichkeit zum Reinigen von Verbindungen ist die Verwendung von Scotchbrite-Lötaugen. Nach dem Reinigen der Verbindungen sollten diese nicht mit den Fingern gehandhabt werden. Hautöl enthält eine sehr effektive Ätzwirkung, die die Oxidation vieler Metalle beschleunigt.

Mindeststrom für Abbrand erforderlich

Ein weiteres Problem ist der Strom, der erforderlich ist, um kleinste Partikel an den Kontakten von Ankerrelais abzubrennen. Wenn sich Relais in ihrer Offenstellung befinden, können sich an den Kontakten für die Schließstellung kleine Partikel ansammeln. Bei der Kontaktierung wird ein Mindeststrom benötigt, um diese Partikel abzubrennen und die Verbindung herzustellen. Bei kleineren Relais liegt dieser Betrag im mA-Bereich. Bei Relais mit einer höheren maximalen Stromstärke sind die Kontakte größer und somit steht eine größere Fläche für die Partikelabscheidung zur Verfügung, und zum Abbrennen dieser Partikel ist eine größere Stromstärke erforderlich. Reedrelais unterliegen diesem Problem nicht, da die Kontakte in einem Edelgas gekapselt sind.

Top Low Current Picks

Multiplexer/Matrix PXI-2530B, Matrix PXI-2532

Die oben genannten Schaltermodelle eignen sich hervorragend, da sie Reedrelais verwenden.

Weitere Tipps und Techniken für niedrige Ströme

Low-Level-Messungen sind anfällig für Fehler- und Rauschquellen, die für Messungen höherer Pegel oft vernachlässigbar sind. In der Low-Level-Signalwelt ist kein Material ein idealer Isolator. Manche Materialien sind bessere Isolatoren als andere. Die Auswahl der richtigen Kabel und Leiterbahnen wird sehr wichtig.

Bei Low-Level-Strommessungen beeinflussen Rauschen und Fehlerquellen Messungen eher in der Größenordnung von 10 μA oder weniger. Beachten Sie die in der folgenden Tabelle aufgeführten Empfehlungen, um die Messintegrität zu gewährleisten.

Lastspannung

Lastspannung ist der Spannungsabfall, der durch den Stromfluss durch ein Strommessgerät verursacht wird. Eine große Lastspannung kann die zu messende Schaltung beeinflussen und die Messung verfälschen. Daher ist es wünschenswert, die Lastspannung möglichst gering zu halten.

In der folgenden Abbildung sehen Sie eine 1,5-V-Quelle mit einer Last von 5 Ω. Zur Messung des Stroms an der Schaltung ist ein Strommesser in Reihe mit der Schaltung geschaltet. In dieser Abbildung hat das Strommesser eine Lastspannung von 0,5 V.

Ohne Lastspannung (Abbildung a) lautet der berechnete Strom:

_Tatsächlich = 1,5 V / 5 Ω

_Tatsächlich = 0,3 A

Bei Lastspannung (Abbildung b) ist der Strom in dieser Schaltung gleich:

_Gemessen = (1,5 V-0,5 V ) / (5 Ω)

Gemessen_measured = 0,2 A

In der obigen Abbildung subtrahiert die Lastspannung des Strommessgeräts von der Spannung über dem 5 Ω-Widerstand. Die Folge ist ein erheblicher Messfehler. In diesem Fall beträgt der durch die Lastspannung verursachte Fehler 33%. Probleme wie diese können leicht auftreten, wenn Sie einen Shunt-Widerstand verwenden, um den Strom zu messen, der von Logikspannungen <3,3 V aufgenommen wird, die in heutigen digitalen Systemen üblich sind.

Die maximale Lastspannung pro Bereich finden Sie in den Spezifikationen für das verwendete DMM.

Mögliche Verfahren zur Reduzierung von Fehlern durch die Lastspannung des Strommessers sind:

• Wenn Sie die Stromfunktion im DMM verwenden, halten Sie die Leitungen zum Schalter kurz und verwenden Sie das entsprechende Kabel, um Spannungsabfälle an den Leitungen zu minimieren.
• Mit externen Shunts messen, um lange stromführende Kabel zum Schalter und DMM zu vermeiden. Verwenden Sie den niedrigsten für die Messung zulässigen Shunt-Widerstand.
• Verwenden Sie Verbindungen in der zu testenden Schaltung als Widerstands-Shunts. Misst den Spannungsabfall an der Verbindung. Messen Sie dann mit der Funktion "Offset Compensated Ohms" den Widerstand der Verbindung und berechnen Sie I = V_wire / _Roco.

Pfadwiderstand

Beim Schalten von niederohmigen Signalen ist der Pfadwiderstand wiederum ein großes Problem. Wegwiderstände können in Software aus Messungen heraus kalibriert werden. Schalter mit größeren Wegwiderständen erfordern jedoch eine größere Verstärkung und/oder einen größeren Bereich mit dem verwendeten DMM, was die Auflösung der Messung verringert. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Pfadwiderstand unter Niedriger Strom.

4-Draht-Modus

Bei Präzisionsmessungen mit Widerständen unter 100 kΩ ist der 4-Draht-Modus genauer als der 2-Draht-Modus. Der 4-Draht-Modus erfordert 4-Draht-Schaltung und mehr Kabel; für sehr niedrige Spannungen wird er jedoch dringend empfohlen.

Die folgende Abbildung zeigt eine 4-Draht-Widerstandsmessung einschließlich Leitungswiderstand:

Bei 4-Draht-Widerstandsmessungen wird Strom durch die Source-Anschlüsse (HI, LO) gedrückt. Die Sense-Anschlüsse (HI_SENSE, LO_SENSE) sind auf sehr hohe Impedanz ausgelegt und leiten Strom durch den Prüfwiderstand (RUT). Dadurch entwickelt sich Spannung über RUT sowie über _RLEAD1 und _RLEAD4. Durch Messung der Spannung direkt über RUT mit Hilfe der Sense-Leitungen (_{RLEAD2, RLEAD3}) wird der Spannungsabfall der Source-Leitungen (_{RLEAD1, RLEAD4}) aus dem Messpfad entfernt.

Offset-kompensierter Ohm-Wert

Thermische EMK und Offset-Spannung spielen nur eine Rolle, wenn die Messung ohne Offset-kompensierte Ohm (OCO) durchgeführt wird. Offset-kompensierte Ohm ist eine DMM-Funktion zur Beseitigung von Offset-Spannungen in einem Widerstandstestsystem. Die Messung umfasst zwei Zyklen, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt. Die erste Abbildung zeigt den ersten Zyklus mit eingeschalteter Stromquelle:

Die zweite Abbildung zeigt den zweiten Zyklus bei ausgeschalteter Stromquelle:

Das Nettoergebnis ist die Differenz zwischen den beiden Messungen. Da die Offsetspannung in beiden Zyklen vorhanden ist, wird sie abgezogen und fließt nicht in die Widerstandsberechnung ein.

Welche Relais werden verwendet?

Elektromechanischer Anker und Reedrelais eignen sich aufgrund ihres geringen Leitungswiderstands hervorragend für Messungen mit geringem Widerstand. So hat z. B. der Ankerschalter PXI-2503 einen Leitungswiderstand von <1 Ω und der Reedschalter PXI-2530B einen Leitungswiderstand von <2 Ω. FET- und SSR-Schalter werden aufgrund eines Leitungswiderstands im kΩ-Bereich nicht empfohlen.

Top Low Resistance Picks

Der Multiplexer/Matrix-Ankerschalter PXI-2503 hat einen extrem niedrigen Leitungswiderstand. Wenn eine höhere Geschwindigkeit erforderlich ist, bieten die Matrix- und Reedschalter PXI-2532 und PXI-2530B höhere Schaltgeschwindigkeiten.

FET-Schalter und elektromechanische Ankerschalter sind aufgrund ihres geringen Spannungs-Offsets eine hervorragende Lösung für Niederspannungs-Schaltanforderungen. Die PXI-2501 / 2503 / 2527 werden speziell empfohlen.
Reedschalter sind aufgrund ihres geringen Leitungswiderstands und des fehlenden Mindestschaltstroms die beste Lösung für Schaltanforderungen mit geringem Strom. Die PXI-2530B / 2532 und sind alle ausgezeichnete Wahl.
Elektromechanische Anker- und Reedschalter eignen sich aufgrund ihres geringen Leitungswiderstands hervorragend zum Schalten niederohmiger Signale. Die PXI-2503 / 2532 / 2530B sind die Top-Auswahl.

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