하위 레벨 신호를 DMM으로 스위칭

모든 유형의 저레벨 측정에는 다음과 같은 기법을 활용해야 합니다.

• 높은 저항 절연이 있는 쉴드된 케이블을 사용합니다. 절연은 테플론과 같이 습도를 흡수하지 않는 재질이어야 합니다.
• 모든 측정은 장비(DMM 및 스위치)가 최소 15분간 가동 준비된 후에 수행해야 합니다. 그 후, 주위 온도가 1°C 이내로 크게 변하지 않도록 합니다.
• 소프트웨어 필터링 및 노이즈 감소 기술을 사용합니다. 소프트웨어에서 상수 오프셋을 측정하고 교정할 수 있는 경우가 많습니다. 극히 낮은 신호를 측정하는 경우, 경로별로 측정값을 교정해야 합니다. 또한, DMM의 측정 애퍼처를 늘리면 측정 평균값 연산이 증가하여 더 정확한 측정값을 얻을 수 있습니다.
• 전원 콘센트와 같은 전자기 간섭의 잠재적 원인으로부터 케이블과 도선을 멀리 두십시오.

낮은 전압 측정의 주요 고려사항은 릴레이와 연관된 열전압 또는 오프셋 전압입니다.

열전압 EMF

서로 다른 두 금속이 결합되면 전압이 생성됩니다. 이 전압은 열전기적 힘(EMF) 또는 제베크 전압이라고 합니다. 제베크(Seebeck) 전압은 접점의 온도와 연결된 금속의 구성에 따라 달라집니다. 특정 금속 대 금속 접점은 특정 온도 계수 (μV/°C)를 생성하며, 이는 제베크 계수라고도 합니다. 다음 테이블은 가장 일반적인 금속과 각각의 제베크 계수를 나열합니다.

스위치의 온도 EMF

전기 기계 릴레이의 도선은 일반적으로 금속 합금으로 구성되며, 대부분은 니켈 철 합금으로 구성되며, 스위치 모듈의 PCB는 일반적으로 구리 또는 구리 합금으로 구성됩니다. 이 두 가지 다른 금속 사이의 접점은 아래 그림과 같이 열전쌍을 생성합니다.

노트: 릴레이에서 발생하는 열전쌍은 접합부의 온도에 따라 달라집니다. 접점의 온도는 주위 온도, 활성화된 릴레이 개수, 스위치 모듈 내부의 공기 흐름, 인접 슬롯에 위치한 스위치 모듈의 타입에 따라 달라집니다.

신호 경로는 하나의 릴레이 또는 여러 릴레이를 통과할 수 있습니다. 신호 경로에 있는 모든 열전쌍의 합은 열기전력 (EMF)으로 표시됩니다. 온도 EMF는 단일 경로(단일 와이어) 또는 차동 경로 온도 EMF로 지정할 수 있습니다. 다음 그림은 단일 경로에서 측정된 온도 EMF를 보여줍니다.

다음 그림은 차동 경로에서 측정된 온도 EMF를 보여줍니다.

열기전력 (EMF)을 최소화하는 방법은 아래의 "기타 저전압 팁 및 기법"을 참조하십시오.

오프셋 전압

위의 설명은 전기기계식 아마추어 및 리드 릴레이에 적용됩니다. FET 및 SSR 스위치는 리드 및 아마추어 릴레이와 같은 의미의 열기전력 (EMF)을 가지고 있지 않습니다. 그러나 릴레이 회로에서 트랜지스터의 가열로 인해 오프셋 전압이 발생합니다. 이 오프셋 전압은 아마추어 및 리드 릴레이의 열기전력 (EMF)과 유사한 단위로 표시되므로, 네 가지 릴레이 유형 간의 열 오프셋을 비교할 수 있습니다.

온도 EMF 또는 오프셋 전압 등급은 전체 스위치 모듈에 대해 주어져 있습니다. 예를 들어, NI PXI-2503의 온도 EMF는 <2 μV입니다. 이는 스위치 모듈의 각 릴레이에 대한 열전압(EMF)가 아니라 전체 모듈에 대한 것입니다. 또한 이 값은 신호 경로가 스위치의 토폴로지와 선택된 채널에 따라 변하는 양의 릴레이를 통과할 수 있다는 최악의 시나리오로 추정됩니다.

정확도에 대한 추가 노트

스위치와 DMM을 사용하여 전압을 측정할 때, 전체 시스템 정확도 계산에서 온도 EMF를 고려해야 합니다.

예를 들어, DMM의 정확도가 4 μV이고 스위치의 차동 경로 열전압(EMF)이 3 μV인 경우, 전체 시스템 정확도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다. √(42 + 3²) = 5 μV

그러므로 50 mV 신호를 측정할 때 전체 시스템 정확도는 0.01%입니다.

낮은 전압에서 사용할 릴레이는 무엇입니까?

전기 기계용 릴레이는 비교적 낮은 열 오프셋을 가지며, <1 μV ~ 10 μV 범위가 될 수 있습니다. 예를 들어, NI PXI-2503 아마추어 스위치의 열 오프셋은 <2 μV입니다. 또한 래치 릴레이는 래치되지 않는 릴레이보다 선호됩니다. 코일 히팅이 없으면 측정에 영향을 줄 수 있는 EMF가 최소화됩니다.

리드 릴레이는 전통적으로 5 μV에서 50 μV를 훨씬 넘는 높은 온도 EMF를 가지고 있습니다. 이는 리드 릴레이가 구성된 자성체 재질 때문입니다. 예를 들어, NI PXI-2530B 리드 스위치의 열 오프셋은 50 μV입니다.

FET 릴레이의 열 오프셋은 전기기계식 아마추어에 더 가깝습니다. 예를 들어, NI PXI-2501 FET 스위치의 온도 오프셋은 2.5 μV입니다.

SSR 릴레이의 열 오프셋은 전기 기계식 전기기 또는 FET 스위치보다 높습니다. 예를 들어, SCXI-1128 SSR 스위치의 오프셋 전압은 0 °C에서 25 °C까지 <25 μV입니다.

가장 낮은 전압 선택

PXI-2501 멀티플렉서/매트릭스, PXI-2503 멀티플렉서/매트릭스, PXI-2527 멀티플렉서

위에 나열된 모든 스위치는 낮은 열 오프셋을 가지며 낮은 전압 측정에 적합합니다. PXI-2501에는 매우 빠른 스위칭의 추가적인 이점이 있습니다. 릴레이 스캔 속도는 전기 기계용 릴레이(PXI-2503, PXI-2527)에서 100번의 작업/s에 비해 15,000 cycles/s입니다. 그러나 아마추어 릴레이의 열 오프셋은 일반적으로 FET 스위치보다 약간 낮습니다.

기타 저전압 팁 및 기법

매우 정확한 측정을 위해 측정 실험실에서 일반적으로 사용되는 기법은 측정을 수행하고, 도선을 전환하고, 측정값을 반복하고, 빼고, 평균하는 것입니다.

열전기(EMF)는 항상 연결에 존재하지만, 온도에 따라 달라지는 것을 기억하면 에러를 최소화할 수 있습니다. 연결이 온도를 변경하지 않는 경우, 열 전압은 안정적이며 수정할 수 있습니다. 오프셋 편차, 불안정성, 매우 낮은 주파수 노이즈와 같은 문제를 일으키는 것은 접점 사이의 온도 변화입니다. 온도 변화 방지를 위한 핵심은 접점의 열균형을 방해할 수 있는 순환 공기 흐름을 방지하는 것입니다. 이렇게 하면 낮은 전압 측정의 또 다른 규칙이 나옵니다: 접점과 연결을 안정적인 온도에서 유지하고 움직임, 팬 등으로 인한 순환하는 공기 전류로부터 멀리 떨어져 있습니다. 이러한 온도 차이를 방지할 수 있는 것은 접점에 공통적인 폼 채우기(스티로 폼 시트도 작동할 수 있음)를 사용하여 접점을 덮고 장비 열 싱크 및 햇빛과 같은 열원에서 벗어나도록 하여 "열 방해"를 생성하는 것입니다.

구리가 산화될 때, 제베크 계수는 수백 μV/°C만큼 쉽게 증가할 수 있습니다. 이렇게 하면 낮은 전압 측정의 또 다른 규칙이 나옵니다: 연결을 깨끗하게 유지합니다. 하나의 옵션은 단순히 연필 지우기를 사용하여 와이어가 빛날 때까지 빈 와이어를 청소한 다음 종이 타월을 사용하여 모든 고무 조각을 제거하는 것입니다. 연결을 정리하는 또 다른 방법은 스코치브리트 패드를 사용하여 와이어를 정리하는 것입니다. 연결을 정리한 후에는, 연결을 손가락으로 처리해서는 안됩니다. 가죽 오일은 많은 금속의 산화 속도를 가속화하는 매우 효과적인 부식제를 포함합니다.

버닝오프에 필요한 최소 전류

또 다른 우려 사항은 펌웨어 릴레이의 접점에서 매우 작은 입자를 태우는데 필요한 전류입니다. 릴레이가 열린 위치에 있을 때, 작은 입자가 닫힌 위치의 접점에 누적될 수 있습니다. 접촉이 이루어지면, 최소한의 전류가 필요하여 이러한 입자를 파괴하고 연결을 만듭니다. 작은 릴레이의 경우, 이 양은 mA 범위 내에 있습니다. 최대 전류 등급이 높은 릴레이의 경우, 접점은 더 커야 하므로, 더 큰 공간을 입자 배치에 사용할 수 있고, 이러한 입자를 태우는데 더 많은 전류가 필요합니다. 리드 릴레이는 상위 기체로 캡슐화되어 있기 때문에 이 문제가 발생하지 않습니다.

최상위 로우 전류 선택

PXI-2530B 멀티플렉서/매트릭스, PXI-2532 매트릭스

위의 스위치 모델은 리드 릴레이를 사용하기 때문에 훌륭한 선택입니다.

기타 로우 전류 팁 및 기법

하위 레벨 측정은 에러와 노이즈의 소스에 취약하며, 이는 높은 레벨 측정에서는 무시할 수 있는 경우가 많습니다. 하위 레벨 신호 세계에서는 어떤 재질도 이상적인 절연체가 아닙니다. 일부 재질은 다른 재질보다 우수한 절연기입니다. 적절한 케이블과 상호연결을 선택하는 것이 매우 중요합니다.

로우 레벨 전류 측정을 할 때, 노이즈와 에러 소스가 10μA 또는 그 이하의 차수로 측정에 영향을 미칠 가능성이 더 높습니다. 아래 테이블의 권장사항을 고려하여 측정의 무결성을 보장합니다.

부담 전압

부하 전압은 전류가 전류 측정 디바이스를 통해 흐르는 경우 발생하는 전압 강하입니다. 부하 전압이 크면 측정되는 회로에 영향을 주어 측정값이 손상될 수 있습니다. 따라서 로드 전압을 최대한 낮게 유지하는 것이 바람직합니다.

다음 그림은 5 Ω의 로드를 가진 1.5 V 소스를 보여줍니다. 회로의 전류를 측정하기 위해, 암미터가 회로에 직렬로 연결되어 있습니다. 이 그림에서, Ammeter의 부하 전압은 0.5 V입니다.

부하 전압이 없는 경우(그림 a), 계산된 전류는 다음과 같습니다:

I_실제 = 1.5 V / 5 Ω

I_실제 = 0.3A

부하 전압(그림 b)에서 이 회로의 전류는 다음과 같습니다:

I_측정됨 = (1.5 V-0.5 V ) / (5 Ω)

I_측정 = 0.2A

위의 그림에서, 전류 측정 디바이스의 부하 전압은 5 Ω 저항의 전압에서 감소합니다. 그 결과 측정에서 심각한 에러가 발생했습니다. 이 경우, 부하 전압으로 인한 에러는 33%입니다. 이와 같은 문제는 분기 저항을 사용하여 현재 디지털 시스템에서 일반적으로 사용되는 <3.3 V의 로직 전압으로 유도되는 전류를 측정할 때 쉽게 발생할 수 있습니다.

범위당 최대 부하 전압에 대해서는 사용 중인 DMM의 스펙 문서를 참조하십시오.

암미터 부하 전압으로 인한 에러를 줄일 수 있는 기술은 다음과 같습니다:

• DMM 내에서 전류 함수를 사용하는 경우, 스위치의 도선을 짧게 유지하고 적절한 케이블 게이지를 사용하여 도선의 전압 강하를 최소화하십시오.
• 외부 분기 기능을 사용하여 원격으로 감지하면 스위치와 DMM에 긴 전류를 전달하는 케이블이 필요하지 않습니다. 측정이 허용하는 분기 저항의 가장 낮은 값을 사용합니다.
• 테스트 중인 회로에서 와이어를 저항 션트로 사용합니다. 와이어를 통과하는 전압 강하를 측정합니다. 그런 다음 오프셋 보상된 Ohms 기능을 사용하여 와이어의 저항을 측정하고 I = V_wire/Roco를_oco 계산합니다.

경로 저항

저항이 낮은 신호를 스위치할 때에도 경로 저항이 중요한 문제입니다. 경로 저항은 소프트웨어에서 측정 밖으로 교정할 수 있지만, 더 큰 경로 저항을 가진 스위치를 허용하려면 사용된 DMM에서 더 큰 이득 및/또는 범위가 필요하므로 측정의 분해능이 떨어집니다. 더 자세한 정보는 위의 저전류 아래의 경로 저항 섹션을 참조하십시오.

4 와이어 모드

저항이 100 kΩ 미만인 정밀 측정의 경우, 4 와이어 모드는 2 와이어 모드보다 더 정확합니다. 4 와이어 모드에서는 4 와이어 스위칭 및 더 많은 케이블 연결이 필요하지만, 매우 낮은 전압에서는 이를 적극 권장합니다.

다음 그림은 도선 저항을 포함한 4 와이어 저항 측정을 보여줍니다:

4 와이어 저항 측정에서는 전류가 소스 터미널(HI, LO)을 통해 강제로 전달됩니다. 감지 터미널(HI_SENSE, LO_SENSE)은 매우 높은 임피던스를 위해 구성되어 있으며, 이 구성은 테스트 중인 저항(RUT)을 통해 전류를 지정합니다. 그 결과, 전압은 RUT 전체뿐만 아니라 R_LEAD1 및 R_LEAD4 전체에서 발생합니다. 감지 도선(R_LEAD2, R_LEAD3)을 사용하여 직접 RUT를 통해 전압을 측정하면 소스 도선(R_LEAD1, R_LEAD4)의 전압 강하가 측정 경로에서 제거됩니다.

오프셋 보상된 Ohms

온도 EMF와 오프셋 전압은 오프셋 보상된 Ohms (OCO) 없이 측정을 수행하는 경우에만 인자입니다. 오프셋 보상된 Ohms는 저항 테스트 시스템에서 오프셋 전압을 제거하는데 사용되는 DMM 기능입니다. 다음 그림과 같이 측정에는 두 개의 사이클이 포함됩니다. 첫 번째 그림은 현재 소스가 ON인 첫 번째 사이클을 나타냅니다:

두번째 그림은 현재 소스가 OFF인 두번째 사이클을 나타냅니다:

순 결과는 두 측정 사이의 차이입니다. 오프셋 전압은 두 사이클 모두에 존재하기 때문에 빼기 때문에 저항 계산에 영향을 미치지 않습니다.

사용할 릴레이는 무엇입니까?

전기기계식 아마추어와 리드 릴레이는 낮은 경로 저항으로 인해 저저항 측정에 모두 우수한 선택입니다. 예를 들어, PXI-2503 전기 스위치의 경로 저항은 <1 Ω이고, PXI-2530B 리드 스위치의 경로 저항은 <2 Ω입니다. FET 및 SSR 스위치는 일반적으로 kΩ 범위 내의 경로 저항으로 인해 권장되지 않습니다.

낮은 저항 옵션 선택

PXI-2503 멀티플렉서/매트릭스 전기 스위치는 매우 낮은 경로 저항을 가지고 있습니다. 더 높은 속도가 필요한 경우, PXI-2532 매트릭스 및 PXI-2530B 멀티플렉서/매트릭스 멀티플렉서/매트릭스 리드 스위치는 더 빠른 스위칭 속도를 제공합니다.

FET 스위치와 전기 기계식 전기 스위치는 낮은 전압 오프셋 때문에 저전압 스위칭이 필요한 경우에 적합한 솔루션입니다. PXI-2501/2503/2527은 특별히 권장됩니다.
리드 스위치는 낮은 경로 저항과 최소 스위칭 전류가 없기 때문에 저전류 스위칭이 필요한 경우에 가장 좋은 솔루션입니다. PXI-2530B / 2532 및 모두 우수한 선택입니다.
전기기계식 아마추어 및 리드 스위치는 낮은 경로 저항으로 인해 저저항 신호 스위칭에 적합합니다. PXI-2503/2532/2530B 는 최고의 선택입니다.

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