Cambiar señales de bajo nivel a un DMM

Para todo tipo de mediciones de bajo nivel hay algunas técnicas que deben emplearse:

• Utilice cables blindados de aislamiento de alta resistencia. El aislamiento debe ser preferiblemente de un material no absorbente de humedad como el teflón.
• Todas las mediciones deben realizarse después de que el equipo (DMM e interruptores) se haya calentado durante al menos 15 minutos. Después de lo cual, asegúrese de que la temperatura ambiente no cambie apreciablemente, si es posible dentro de 1 °C.
• Utilice técnicas de filtrado de software y reducción de ruido. A menudo, un desplazamiento constante se puede medir y calibrar fuera de la medición en el software. Si se están midiendo señales extremadamente bajas, las mediciones deben calibrarse por trayectoria. Además, aumentar la apertura de medición de su DMM aumentará el promedio de medición que tiene lugar y le dará una lectura más precisa.
• Mantenga los cables y cables de fuentes potenciales de interferencia electromagnética, como tomas de corriente.

La consideración principal para las mediciones de baja tensión es la FEM Térmica o Tensión de Desplazamiento asociada con el relé.

FEM térmico

Cuando se unen dos metales diferentes, se crea una tensión. Este voltaje se conoce como la fuerza electromotriz térmica (EMF) o el voltaje Seebeck. El voltaje Seebeck depende de la temperatura de la unión y la composición de los metales unidos. Las uniones específicas de metal a metal dan como resultado coeficientes de temperatura específicos (μV/°C), también conocidos como coeficientes de Seebeck. La siguiente tabla muestra los metales más comunes y sus respectivos coeficientes de Seebeck.

FEM térmica en interruptores

Los conductores de los relés electromecánicos suelen estar compuestos de aleaciones metálicas, la mayoría de las veces aleación de níquel-hierro, mientras que la PCB de un módulo de interruptor suele estar compuesta de cobre o aleación de cobre. La unión entre estos dos metales diferentes crea un termopar, como se ilustra en la figura siguiente.

Nota Un termopar desarrollado en un relé depende de la temperatura de la unión. La temperatura de una unión varía según la temperatura ambiente, el número de relés activados, el flujo de aire dentro del módulo de conmutación y los tipos de módulos de conmutación ubicados en las ranuras adyacentes.

Una ruta de señal puede atravesar un solo relé o múltiples relés. La suma de todos los termopares en una trayectoria de señal se expresa como la FEM térmica. La FEM térmica se puede especificar como FEM térmica de trayectoria única (cable único) o de trayectoria diferencial. La figura siguiente ilustra la FEM térmica medida en una sola trayectoria.

La figura siguiente ilustra la FEM térmica medida en una trayectoria diferencial.

Consulte "Otros consejos y técnicas de bajo voltaje" a continuación para minimizar la FEM térmica.

Tensión de desplazamiento

La discusión anterior se aplica a armadura electromecánica y relés de láminas. Los interruptores FET y SSR no tienen una FEM térmica en el mismo sentido que los relés de láminas y armadura. Sin embargo, tienen una tensión de compensación debido al calentamiento de los transistores en los circuitos de relé. Este voltaje de offset es comparable al EMF térmico de los relés de armadura y láminas y se expresa en las mismas unidades, por lo que podemos comparar el offset térmico entre los cuatro tipos de relés.

Se dan clasificaciones de tensión de compensación o EMF térmica para todo el módulo de conmutación. Por ejemplo, el NI PXI-2503 tiene una FEM térmica <2 μV. Este no es el FEM térmico para cada relé en el módulo de conmutación, sino más bien para el módulo en su conjunto. Adicionalmente, este valor también se toma como una estimación de escenario peor siendo que la ruta de señal puede pasar por una cantidad variable de relés dependiendo de la topología del conmutador y el canal elegido.

Nota adicional sobre la exactitud

Cuando mida el voltaje con un interruptor y un DMM, asegúrese de tener en cuenta la FEM térmica en el cálculo de precisión general del sistema.

Por ejemplo, si el DMM tiene una precisión de 4 μV y el interruptor tiene una EMF térmica de trayectoria diferencial de 3 μV, la precisión global del sistema se puede calcular de la siguiente manera: √(42 + 3²) = 5 μV

Por lo tanto, al medir una señal de 50 mV, la precisión general del sistema es del 0,01%.

¿Qué relés usar para baja tensión?

Los relés electromecánicos de inducido tienen un desplazamiento térmico comparativamente bajo y pueden oscilar entre <1 μV y alrededor de 10 μV. Por ejemplo, el interruptor de armadura NI PXI-2503 tiene un desplazamiento térmico de <2 μV. Además, se prefieren los relés de retención a los relés sin retención porque la falta de calentamiento de la bobina minimiza la FEM, lo que puede afectar sus mediciones.

Los relés de láminas tradicionalmente tienen una FEM térmica más alta: de alrededor de 5 μV a mucho más de 50 μV. Esto se debe a los materiales ferromagnéticos a partir de los cuales se construyen los relés de láminas. Por ejemplo, el interruptor de láminas NI PXI-2530B tiene un desplazamiento térmico de 50 μV.

Los relés FET tienen un desplazamiento térmico más cercano a la armadura electromecánica. Por ejemplo, el interruptor FET NI PXI-2501 tiene un desplazamiento térmico de 2,5 μV.

Los relés SSR tienen un mayor desplazamiento térmico que la armadura electromecánica o los interruptores FET. Por ejemplo, el interruptor SCXI-1128 SSR tiene una tensión de compensación de <25 μV de 0 °C a 25 °C.

Top selecciones de bajo voltaje

Multiplexor/matriz PXI-2501, multiplexor/matriz PXI-2503, multiplexor PXI-2527

Todos los interruptores enumerados anteriormente tienen un bajo desplazamiento térmico y son excelentes opciones para mediciones de baja tensión. El PXI-2501 tiene la ventaja añadida de una conmutación extremadamente rápida: la velocidad de exploración de los relés es de 15.000 ciclos/s en comparación con 100 operaciones/s con los relés de inducido electromecánico (PXI-2503, PXI-2527). Sin embargo, el desplazamiento térmico de los relés de inducido es ligeramente inferior en general al de los interruptores FET.

Otras técnicas y consejos de baja tensión

Una técnica común utilizada en los laboratorios de metrología para mediciones muy precisas es tomar una medición, cambiar los cables, repetir, restar y promediar las lecturas.

La FEM térmica siempre existirá en las conexiones, pero al recordar que depende de la temperatura, el error se puede minimizar. Si las conexiones no cambian de temperatura, entonces el voltaje térmico es estable y se puede corregir; son los cambios de temperatura entre estas uniones los que crean problemas (como la deriva de compensación, la inestabilidad y el ruido de muy baja frecuencia). La clave para evitar los cambios de temperatura es evitar las corrientes de aire circulante que pueden alterar el equilibrio térmico de las uniones. Esto lleva a otra regla para las mediciones de baja tensión: mantener las uniones y conexiones a una temperatura estable y lejos de las corrientes de aire circulante causadas por el movimiento, ventiladores, etc. Estas diferencias de temperatura se pueden prevenir creando un "deflector térmico", como envolver las uniones con un acolchado de espuma común (incluso la lámina de espuma de poliestireno puede funcionar) y mantenerlas alejadas de fuentes de calor como disipadores de calor de equipos y luz solar.

Cuando el cobre se oxida, el coeficiente de Seebeck puede aumentar fácilmente en varios cientos de μV/°C. Esto lleva a otra regla para las mediciones de baja tensión: mantener las conexiones limpias. Una opción es simplemente usar un borrador de lápiz para limpiar el alambre desnudo hasta que el alambre esté brillante, luego limpiar cualquier fragmento de goma con una toalla de papel. Otra forma de limpiar las conexiones es usar almohadillas Scotchbrite para limpiar el cable. Después de limpiar las conexiones, las conexiones no deben manipularse con los dedos. El aceite para la piel contiene un corrosivo muy efectivo que acelera la oxidación de muchos metales.

Corriente mínima requerida para la combustión

Otra preocupación es la corriente requerida para quemar partículas muy pequeñas en los contactos de los relés de inducido. Cuando los relés están en su posición abierta, las partículas pequeñas pueden acumularse en los contactos para la posición cerrada. Cuando se hace contacto, se necesita una cantidad mínima de corriente para quemar estas partículas y establecer la conexión. Para relés más pequeños esta cantidad está en el rango de mA. Para los relés con una clasificación de corriente máxima más alta, los contactos son más grandes y, por lo tanto, hay un área más grande disponible para la deposición de partículas y se requiere una mayor cantidad de corriente para quemar estas partículas. Los relés de láminas no están sujetos a este problema porque los contactos están encapsulados en un gas noble.

Top selecciones de corriente baja

Multiplexor/matriz PXI-2530B, matriz PXI-2532

Los modelos de interruptor anteriores son excelentes selecciones debido al hecho de que utilizan relés de láminas.

Otros consejos y técnicas de baja corriente

Las mediciones de bajo nivel son susceptibles a fuentes de error y ruido que a menudo son insignificantes para mediciones de nivel superior. En el mundo de las señales de bajo nivel, ningún material es un aislante ideal. Algunos materiales son mejores aislantes que otros. La selección de cables e interconexiones adecuados se vuelve muy importante.

Al realizar mediciones de corriente de bajo nivel, es más probable que las fuentes de ruido y error afecten a mediciones del orden de 10μA o menos. Tenga en cuenta las recomendaciones enumeradas en la tabla siguiente para garantizar la integridad de la medición.

Tensión de carga

La tensión de carga es la caída de tensión causada por la corriente que fluye a través de un dispositivo de medición de corriente. Una gran tensión de carga puede afectar al circuito que se mide, corrompiendo la medición. Por esta razón, es deseable que la tensión de carga se mantenga lo más baja posible.

La siguiente figura muestra una fuente de 1,5 V con una carga de 5 Ω. Para medir la corriente en el circuito, se conecta un amperímetro en serie con el circuito. En esta figura, el amperímetro tiene una tensión de carga de 0,5 V.

Sin tensión de carga (figura a), la corriente calculada es:

I_real = 1,5 V / 5 Ω

Iactual_actual = 0,3 A

Con tensión de carga (figura b), la corriente en este circuito es igual a:

_Medí = (1,5 V-0,5 V ) / (5 Ω)

Medido_measured = 0,2 A

En la figura anterior, la tensión de carga del dispositivo de medición de corriente resta de la tensión a través de la resistencia de 5 Ω. El resultado es un error significativo en la medición. En este caso, el error causado por la tensión de carga es del 33%. Problemas como este pueden surgir fácilmente cuando se usa una resistencia en derivación para medir la corriente consumida por tensiones lógicas <3,3 V comunes en los sistemas digitales actuales.

Para la tensión de carga máxima por rango, consulte los documentos de especificaciones para el DMM que se está utilizando.

Las posibles técnicas para reducir el error causado por la tensión de carga del amperímetro incluyen las siguientes:

• Cuando utilice la función de corriente dentro del DMM, mantenga cortos los cables al interruptor y utilice el calibre apropiado del cable para minimizar las caídas de voltaje de los cables.
• Detección remota con derivaciones externas para eliminar la necesidad de cables largos que transportan corriente al interruptor y DMM. Utilice el valor más bajo de resistencia de derivación que la medición permite.
• Utilice cables en el circuito bajo prueba como derivaciones de resistencia. Mida la caída de voltaje a través del cable. A continuación, utilice la función Offset Compensated Ohms para medir la resistencia del alambre y calcular I = V_{, alambre} / R_oco.

Resistencia a la trayectoria

La resistencia de trayectoria es de nuevo una preocupación importante cuando se conmutan señales de baja resistencia. Las resistencias de trayectoria se pueden calibrar a partir de mediciones en software, pero permitir interruptores con resistencias de trayectoria más grandes requerirá una mayor ganancia y / o rango con el DMM utilizado, lo que disminuirá la resolución con la que se toma la medición. Consulte la sección Resistencia a la trayectoria en Corriente baja anterior para obtener más información.

Modo de 4 hilos

Para mediciones de precisión con resistencias inferiores a 100 kΩ, el modo de 4 hilos es más preciso que el modo de 2 hilos. El modo de 4 hilos requiere conmutación de 4 hilos y más cableado; sin embargo, para tensiones muy bajas es muy recomendable.

La siguiente figura muestra una medición de resistencia de 4 hilos, incluida la resistencia del plomo:

En las mediciones de resistencia de 4 hilos, la corriente se fuerza a través de los terminales de la fuente (HI, LO). Los terminales de detección (HI_SENSE, LO_SENSE) están configurados para una impedancia muy alta, y esta configuración dirige la corriente a través de la resistencia en prueba (RUT). Como resultado, la tensión se desarrolla a través de RUT, así como a través de R_LEAD1 y R_LEAD4. Midiendo la tensión directamente a través de RUT utilizando los conductores de detección (R_LEAD2, R_LEAD3), se elimina la caída de tensión de los conductores de origen (R_LEAD1, R_LEAD4) del trayecto de medición.

Ohmios compensados

La tensión de compensación y la FEM térmica solo son un factor si la medición se realiza sin ohmios compensados por compensación (OCO). Offset Compensated Ohms es una característica DMM proporcionada para eliminar tensiones de offset en un sistema de prueba de resistencia. La medición implica dos ciclos como se muestra en las siguientes figuras. La primera figura representa el primer ciclo con la fuente de corriente ENCENDIDA:

La segunda figura representa el segundo ciclo con la fuente de corriente OFF:

El resultado neto es la diferencia entre las dos medidas. Debido a que el voltaje de desfase está presente en ambos ciclos, se resta y no entra en el cálculo de la resistencia.

¿Qué relés usar?

La armadura electromecánica y los relés de láminas son excelentes opciones para mediciones de baja resistencia debido a su baja resistencia de trayectoria. Por ejemplo, el interruptor de armadura PXI-2503 tiene una resistencia de trayectoria de <1 Ω y el interruptor de láminas PXI-2530B tiene una resistencia de trayectoria de <2 Ω. Los interruptores FET y SSR no se recomiendan debido a una resistencia de trayectoria que generalmente está en el rango kΩ.

Top selecciones de baja resistencia

El interruptor de armadura de matriz/multiplexor PXI-2503 tiene una resistencia de trayectoria extremadamente baja. Si se necesita una mayor velocidad, los conmutadores PXI-2532 y PXI-2530B ofrecen velocidades de conmutación más rápidas.

Los interruptores FET y los interruptores electromecánicos de armadura son una excelente solución a las necesidades de conmutación de baja tensión debido a su desplazamiento de baja tensión. Se recomienda específicamente el PXI-2501 / 2503 / 2527.
Los interruptores de láminas son la mejor solución para las necesidades de conmutación de baja corriente debido a su baja resistencia de trayectoria y la falta de corriente de conmutación mínima. El PXI-2530B / 2532 y son todas excelentes opciones.
El inducido electromecánico y los interruptores de láminas son excelentes para conmutar señales de baja resistencia debido a su baja resistencia de trayectoria. El PXI-2503 / 2532 / 2530B son las mejores selecciones.

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