Faire basculer des signaux de bas niveau vers un multimètre numérique (DDM)

Mis à jour 15 juil. 2026

Aperçu

De nombreux multimètres numériques (DMM) haute résolution sont aujourd’hui capables de mesurer des signaux de très bas niveau. Par exemple, le DMM NI PXIe-4081 est un DMM à 71⁄2 chiffres capable de mesurer dans la gamme nanovolt, picoamp et micro-ohm. On craint souvent que l'utilisation d'une commutation devant le DMM diminue sa capacité à effectuer ces mesures de bas niveau. Ce document décrira les principes fondamentaux qui affectent les mesures de bas niveau, les types de relais qui répondent le mieux à ces principes, les commutateurs NI recommandés à utiliser et d’autres conseils et techniques pour effectuer des mesures de bas niveau.

Contenu

Considérations générales pour tous les signaux
Basse tension
Courant faible
Faible résistance
Résumé
Liens associés

Considérations générales pour tous les signaux

Pour tous les types de mesures de bas niveau, certaines techniques devraient être utilisées :

Utilisez des câbles blindés isolants haute résistance. L'isolation doit de préférence être un matériau non absorbant l'humidité tel que le téflon.
Toutes les mesures doivent être prises après le préchauffage de l’équipement (DMM et commutateurs) pendant au moins 15 minutes. Après quoi, assurez-vous que la température ambiante ne change pas sensiblement, si possible à 1 °C près.
Utilisez des techniques de filtrage logiciel et de réduction du bruit. Souvent, un offset constant peut être mesuré et étalonné à partir de la mesure dans le logiciel. Si des signaux extrêmement faibles sont mesurés, les mesures doivent être étalonnées par chemin. De plus, augmenter l’ouverture de mesure de votre DMM augmentera le moyennage de mesure qui a lieu et vous donnera une lecture plus précise.
Gardez les câbles et les fils contre les sources potentielles d'interférence électromagnétique, telles que les prises de courant.

Basse tension

La principale considération pour les mesures de basse tension est la CEM thermique ou la tension d’offset associée au relais.

CEM thermique

Lorsque deux métaux différents sont joints, une tension est créée. Cette tension est appelée force thermo-électromotrice (CEM) ou tension de Seebeck. La tension Seebeck dépend de la température de la jonction et de la composition des métaux joints. Les jonctions métal-métal spécifiques produisent des coefficients de température spécifiques (μV/°C), également appelés coefficients de Seebeck. Le tableau suivant répertorie les métaux les plus courants et leurs coefficients Seebeck respectifs.

Jonction

μV/°C

Cuivre-Cuivre

<0.3

Cuivre-Or

0,5

Cuivre-Argent

0,5

Cuivre-Laiton

Cuivre-Nickel

0,5

Soudure cuivre-plomb-étain

1-3

Cuivre-aluminium

Cuivre-Kovar

Oxyde de cuivre-cuivre

Plus de 500

CEM thermique dans commutateurs

Les fils des relais électromécaniques sont généralement composés d'alliages métalliques, le plus souvent en alliage nickel-fer, tandis que le PCB d'un module de commutation est généralement composé de cuivre ou d'alliage de cuivre. La jonction entre ces deux métaux différents crée un thermocouple, comme illustré sur la figure ci-dessous.

Remarque Un thermocouple développé dans un relais dépend de la température de la jonction. La température d'une jonction varie en fonction de la température ambiante, du nombre de relais activés, du flux d'air à l'intérieur du module de commutation et des types de modules de commutation situés dans les emplacements adjacents.

Un chemin de signal peut traverser un ou plusieurs relais. La somme de tous les thermocouples d'un chemin de signal est exprimée en EMF thermique. Les CEM thermiques peuvent être spécifiés comme CEM thermique à trajet unique (un fil) ou différentiel. La figure ci-dessous illustre les CEM thermiques mesurés sur un seul chemin.

La figure ci-dessous illustre les CEM thermiques mesurés dans un chemin différentiel.

Voir « Autres conseils et techniques basse tension » ci-dessous pour minimiser les CEM thermiques.

Tension d'offset

La discussion ci-dessus s'applique aux relais électromécaniques à armature et Reed. Les commutateurs FET et SSR n'ont pas de CEM thermique dans le même sens que les relais Reed et armature. Ils ont cependant une tension d'offset due à l'échauffement des transistors dans le circuit du relais. Cette tension d’offset est comparable à la CEM thermique des relais armature et Reed et est exprimée dans les mêmes unités, nous pouvons donc comparer l’offset thermique entre les quatre types de relais.

Les valeurs nominales de tension d'offset ou CEM thermique sont données pour l'ensemble du module de commutation. Par exemple, le NI PXI-2503 a un champ électromagnétique thermique <2 μV. Ce n’est pas le CEM thermique pour chaque relais du module de commutation, mais plutôt pour le module dans son ensemble. De plus, cette valeur est également prise comme estimation du pire scénario étant que le chemin du signal peut passer par une quantité variable de relais en fonction de la topologie du commutateur et de la voie choisie.

Note supplémentaire sur la précision

Lorsque vous mesurez la tension avec un commutateur et un DMM, assurez-vous de tenir compte des CEM thermiques dans le calcul de la précision globale du système.

Par exemple, si le DMM a une précision de 4 μV et que le commutateur a un champ électromagnétique thermique différentiel de 3 μV, la précision globale du système peut être calculée comme suit : √(42 + 3²) = 5 μV

Ainsi, lors de la mesure d’un signal de 50 mV, la précision globale du système est de 0,01 %.

Quels relais utiliser pour la basse tension ?

Les relais à armature électromécaniques ont un offset thermique relativement faible et peuvent varier de <1 μV à environ 10 μV. Par exemple, le commutateur à armature NI PXI-2503 a un offset thermique de <2 μV. De plus, les relais d’armement sont préférés aux relais sans armement car le manque de chauffage de la bobine minimise les CEM qui peuvent affecter vos mesures.

Les relais Reed ont traditionnellement un CEM thermique plus élevé: d'environ 5 μV à bien plus de 50 μV. Cela est dû aux matériaux ferromagnétiques à partir desquels les relais Reed sont construits. Par exemple, le commutateur Reed NI PXI-2530B a un offset thermique de 50 μV.

Les relais FET ont un offset thermique plus proche de l'armature électromécanique. Par exemple, le commutateur FET NI PXI-2501 a un offset thermique de 2,5 μV.

Les relais SSR ont un offset thermique plus élevé que les armatures électromécaniques ou les commutateurs FET. Par exemple, le commutateur SCXI-1128 SSR a une tension d’offset <25 μV de 0 °C à 25 °C.

Top sélections basse tension

Multiplexeur/matrice PXI-2501, multiplexeur/matrice PXI-2503, multiplexeur PXI-2527

Tous les commutateurs énumérés ci-dessus ont un faible offset thermique et sont d'excellents choix pour les mesures de basse tension. Le PXI-2501 présente l’avantage supplémentaire d’une commutation extrêmement rapide : la fréquence de balayage du relais est de 15 000 cycles/s contre 100 opérations/s avec les relais à armature électromécaniques (PXI-2503, PXI-2527). Cependant, l'offset thermique pour les relais à armature est légèrement inférieur en général à celui des commutateurs FET.

Autres conseils et techniques basse tension

Une technique courante utilisée dans les laboratoires de métrologie pour des mesures très précises consiste à prendre une mesure, permuter les fils, répéter, soustraire et moyenner les mesures.

Le champ électromagnétique thermique existera toujours dans les connexions, mais en se rappelant qu’il dépend de la température, l’erreur peut être minimisée. Si les connexions ne changent pas de température, la tension thermique est stable et peut être corrigée ; ce sont les changements de température entre ces jonctions qui créent des problèmes (tels que la dérive d’offset, l’instabilité et le bruit à très basse fréquence). La clé pour éviter les changements de température est d’empêcher les courants d’air circulants qui peuvent perturber l’équilibre thermique des jonctions. Cela conduit à une autre règle pour les mesures basse tension: maintenir les jonctions et les connexions à une température stable et à l'écart des courants d'air circulants causés par le mouvement, les ventilateurs, etc. Ces différences de température peuvent être évitées en créant un « déflecteur thermique », comme enrouler les jonctions avec du rembourrage de mousse commun (même une feuille de styromousse peut fonctionner) et les garder à l'écart des sources de chaleur telles que les dissipateurs thermiques de l'équipement et la lumière du soleil.

Lorsque le cuivre s'oxyde, le coefficient Seebeck peut facilement augmenter de plusieurs centaines de μV/°C. Cela conduit à une autre règle pour les mesures basse tension : garder les connexions propres. Une option consiste à simplement utiliser une gomme à crayon pour nettoyer le fil nu jusqu'à ce qu'il soit brillant, puis à nettoyer tout fragment de caoutchouc avec une serviette en papier. Une autre façon de nettoyer les connexions est d'utiliser des tampons Scotchbrite pour nettoyer le fil. Après avoir nettoyé les connexions, les connexions ne doivent pas être manipulées avec les doigts. L'huile de peau contient un corrosif très efficace qui accélère l'oxydation de nombreux métaux.

Courant faible

Courant minimum requis pour la combustion

Une autre préoccupation est le courant nécessaire pour brûler de très petites particules sur les contacts des relais à armature. Lorsque les relais sont dans leur position ouverte, de petites particules peuvent s'accumuler sur les contacts pour la position fermée. Lorsque le contact est établi, une quantité minimale de courant est nécessaire pour brûler ces particules et établir la connexion. Pour les petits relais, cette quantité se situe dans la gamme mA. Pour les relais avec un courant nominal maximal plus élevé, les contacts sont plus grands et donc une plus grande surface est disponible pour le dépôt de particules et une plus grande quantité de courant est nécessaire pour brûler ces particules. Les relais Reed ne sont pas sujets à ce problème car les contacts sont encapsulés dans un gaz noble.

Top des sélections de courant faible

Matrice/multiplexeur PXI-2530B, matrice PXI-2532

Les modèles de commutateurs ci-dessus sont d'excellents choix car ils utilisent des relais Reed.

Autres conseils et techniques à faible courant

Les mesures de bas niveau sont sensibles aux sources d'erreur et de bruit qui sont souvent négligeables pour les mesures de haut niveau. Dans le monde des signaux de bas niveau, aucun matériau n’est un isolant idéal. Certains matériaux sont de meilleurs isolants que d'autres. Le choix des câbles et des interconnexions appropriés devient très important.

Lors de mesures de courant de bas niveau, les sources de bruit et d’erreur sont plus susceptibles d’affecter les mesures de l’ordre de 10 μA ou moins. Tenez compte des recommandations énumérées dans le tableau ci-dessous pour assurer l'intégrité de la mesure.

Source d'erreur ou de bruit	Cause	Niveau d'erreur induite	Recommandations
Courant de polarisation d’entrée	Le courant de polarisation en entrée double toutes les 10 °C. Le courant de polarisation en entrée produit une erreur d'offset qui dépend de la température dans les gammes de 1 μA à 10 μA.	Généralement 10 pA à 23 °C, mais il est étalonné en usine à zéro à cette température.	Maintenez une température ambiante de fonctionnement inférieure à 28 °C et activez Auto Zero pour supprimer les erreurs d'offset de DMM internes de la mesure. Si vous devez travailler au-dessus de 28 °C, effectuez une suppression d'offset avant de prendre vos mesures.
Courants de fuite dus à une mauvaise isolation	Lors de la mesure de courants de bas niveau, les courants de fuite dans les isolateurs deviennent pertinents. Le courant circule entre un point à haute impédance et les sources de tension voisines.	Dépend de la résistivité du matériau isolant. Voici quelques exemples : Époxy de verre : > 10 ¹² Ω Nylon: > 10 ¹² Ω Polyéthylène: >10¹⁵ Ω Téflon vierge: > 10 ¹⁶ Ω	Assurez-vous que le dispositif de test du DUT est construit dans un matériau approprié pour le test souhaité et qu'il est propre.
Courants sonores dus aux triboélectriques¹	Les courants sont générés par le déplacement des câbles car un transfert de charge se produit entre l’isolateur et le conducteur lorsqu’ils frottent l’un contre l’autre.	Des centaines de pA dans un câble en polyéthylène (par exemple, RG-58)	Utilisez des câbles à faible bruit en polyéthylène. Si vous n'utilisez pas de câbles en polyéthylène, veillez particulièrement à prendre les mesures suivantes : Fixez les câbles aux surfaces non vibrantes. Ne pas déplacer ou fléchir les câbles pendant les mesures.
Courants sonores dus aux piézoélectriques²	Des courants peuvent être générés lorsque l’isolateur est soumis à une contrainte mécanique.	Des centaines de pA pour le polyéthylène	Éliminer les contraintes mécaniques des câbles et des isolateurs. Rendre les structures de connexion rigides, en particulier lorsque vous utilisez un câble isolé en téflon.
Courants d'erreur dus à la contamination et à l'humidité	La résistance d'isolation diminue avec l'humidité et la contamination croissantes. Ces deux combinaisons pourraient également générer de petits courants induits électrochimiquement.	De l'ordre de pA à μA	Sélectionnez des isolateurs à faible absorption d’eau, comme le Téflon. Maintenez l'humidité à des niveaux modérés. Il est recommandé de maintenir une humidité relative inférieure à 55% surtout lorsque le niveau de propreté dans l'environnement est douteux. Gardez les isolateurs et les connexions du DUT propres.
Courants sonores dus aux interférences électromagnétiques et aux champs électriques	Les équipements environnants (moteurs, câbles d’alimentation, équipements vibrants) peuvent induire des courants sonores. Déplacer des personnes et des objets chargés près de la configuration de la mesure peut induire un couplage électrostatique.	De l’ordre de nA et de dizaines de μA selon la proximité, le blindage du périphérique et l’amplitude du mouvement relatif	Utilisez des câbles blindés ou à paires torsadées. Protégez le matériel sous test. Éloignez les câbles d'alimentation et autres équipements électriques du circuit de mesure. Évitez les vibrations et les mouvements autour du circuit pendant la mesure. Utilisez un câblage blindé, comme le câble Belden 83317E. Reportez-vous au site Web de Belden CDT Incorporated à www.belden.com pour en savoir plus sur ces câbles.
Tension de charge	Reportez-vous à la section Tension de charge ci-dessous	Dépend du circuit mesuré	Calculer si l'erreur causée par la tension de charge est pertinente lors de la mesure du courant dans le circuit d'intérêt. Reportez-vous à la section Tension de charge ci-dessous pour voir un exemple.
Courants de fuite dus à une commutation externe	Les commutateurs externes utilisés pour acheminer les courants de bas niveau pourraient être une source de courants de fuite.	Dépend de l'interrupteur, de la température et de l'humidité de l'environnement.	Consultez la documentation de votre commutateur pour savoir comment réduire les erreurs de fuite. Maintenir des conditions de température et d'humidité inférieures à 28 °C et 55 % d'humidité relative, sauf si le commutateur spécifie des performances de fuite supérieures à ce niveau.

¹L’effet triboélectrique peut être comparé au phénomène d’électricité statique causé par le frottement de certains isolateurs entre eux. Le téflon et l’argent combinés, par exemple, peuvent créer un niveau très élevé de bruit de courant induit par la triboélectricité.
²L’effet piézoélectrique, bien que bien exploité dans les capteurs qui convertissent les variations de pression des ondes sonores ou des vibrations physiques en petits signaux de tension, est hautement indésirable dans les câbles et les interconnexions.

Tension de charge

La tension de charge est la chute de tension causée par le courant qui traverse un appareil de mesure de courant. Une tension de charge importante peut affecter le circuit mesuré, corrompant la mesure. Pour cette raison, il est souhaitable que la tension de charge soit maintenue aussi basse que possible.

La figure suivante montre une source de 1,5 V avec une charge de 5 Ω. Pour mesurer le courant sur le circuit, un ampèremètre est connecté en série avec le circuit. Dans cette figure, l'ampèremètre a une tension de charge de 0,5 V.

Sans tension de charge (figure a), le courant calculé est :

Réel_actual = 1,5 V / 5 Ω

Réel_actual = 0,3 A

Avec la tension de charge (figure b), le courant dans ce circuit est égal à :

J'ai _mesuré = (1,5 V-0,5 V ) / (5 Ω)

Imesuré_measured = 0,2 A

Dans la figure précédente, la tension de charge du dispositif de mesure de courant est soustraite de la tension aux bornes de la résistance de 5 Ω. Il en résulte une erreur importante dans la mesure. Dans ce cas, l’erreur causée par la tension de charge est de 33 %. De tels problèmes peuvent facilement survenir lorsque vous utilisez une résistance de shunt pour mesurer le courant consommé par des tensions logiques <3,3 V courantes dans les systèmes numériques actuels.

Pour la tension de charge maximale par gamme, reportez-vous aux documents de spécifications du DMM utilisé.

Les techniques possibles pour réduire l'erreur causée par la tension de charge de l'ampèremètre sont les suivantes :

Lorsque vous utilisez la fonction de courant dans le DMM, gardez les fils courts vers le commutateur et utilisez la jauge de câble appropriée pour minimiser les chutes de tension des fils.
Détectez à distance avec des shunts externes pour éliminer le besoin de longs câbles de transport de courant vers le commutateur et le DMM. Utilisez la valeur la plus basse de résistance de shunt permise par la mesure.
Utilisez des fils dans le circuit testé comme shunts de résistance. Mesurer la chute de tension aux bornes du fil. Ensuite, utilisez la fonctionnalité Ohms compensés par offset pour mesurer la résistance du fil et calculer I = V _fil/_Roco.

Faible résistance

Résistance de chemin

La résistance de chemin est à nouveau un problème majeur lors de la commutation de signaux à faible résistance. Les résistances de chemin peuvent être étalonnées en dehors des mesures dans le logiciel, mais autoriser des commutateurs avec des résistances de chemin plus grandes nécessitera un gain et/ou une gamme plus importants avec le DMM utilisé, ce qui diminuera la résolution avec laquelle la mesure est prise. Reportez-vous à la section Résistance de chemin sous Courant faible ci-dessus pour en savoir plus.

Mode à 4 fils

Pour les mesures de précision avec des résistances inférieures à 100 kΩ, le mode 4 fils est plus précis que le mode 2 fils. Le mode à 4 fils nécessite une commutation à 4 fils et plus de câblage ; cependant, pour les très basses tensions, il est vivement recommandé.

La figure suivante montre une mesure de résistance à 4 fils, y compris la résistance du fil :

Dans les mesures de résistance à 4 fils, le courant est forcé à travers les bornes source (HI, LO). Les bornes de détection (HI_SENSE, LO_SENSE) sont configurées pour une très haute impédance, et cette configuration dirige le courant à travers la résistance sous test (RUT). Par conséquent, la tension se développe entre RUT ainsi qu’entre R_LEAD1 et R_LEAD4. En mesurant la tension directement aux bornes de RUT à l’aide des fils de détection (R_LEAD2, R_LEAD3), la chute de tension des fils source (R_LEAD1, R_LEAD4) est supprimée du chemin de mesure.

Ohms à décalage compensé

La CEM thermique et la tension d’offset ne sont un facteur que si la mesure est prise sans Ohms compensés par offset (OCO). Offset Compensated Ohms est une fonctionnalité de DMM fournie pour éliminer les tensions d’offset dans un système de test de résistance. La mesure comporte deux cycles, comme le montrent les figures suivantes. La première figure représente le premier cycle avec la source de courant ON :

La deuxième figure représente le deuxième cycle avec la source de courant OFF :

Le résultat net est la différence entre les deux mesures. Étant donné que la tension de décalage est présente dans les deux cycles, elle est soustraite et n’entre pas dans le calcul de la résistance.

Quels relais utiliser ?

L’armature électromécanique et les relais Reed sont tous deux d’excellents choix pour les mesures de faible résistance en raison de leur faible résistance de trajectoire. Par exemple, le commutateur à armature PXI-2503 a une résistance de chemin <1 Ω et le commutateur Reed PXI-2530B a une résistance de chemin <2 Ω. Les commutateurs FET et SSR ne sont pas recommandés en raison d’une résistance de chemin généralement dans la gamme kΩ.

Top Low Resistance Picks

Le commutateur multiplexeur/armature matriciel PXI-2503 a une résistance de chemin extrêmement faible. Si une plus grande vitesse est nécessaire, la matrice PXI-2532 et les commutateurs multiplexeur/multiplexeur matriciel/reed matriciel PXI-2530B offrent des vitesses de commutation plus rapides.

Résumé

Les commutateurs FET et les commutateurs à armature électromécaniques sont une excellente solution aux besoins de commutation basse tension en raison de leur offset de faible tension. Les PXI-2501/2503/2527 sont spécifiquement recommandés.
Les commutateurs Reed sont la meilleure solution pour les besoins de commutation à faible courant en raison de leur faible résistance de chemin et du manque de courant de commutation minimum. Les PXI-2530B/2532 et sont tous d'excellents choix.
Les interrupteurs électromécaniques à armature et Reed sont excellents pour commuter des signaux à faible résistance en raison de leur faible résistance de chemin. Les PXI-2503/2532/2530B sont les premiers choix.