将低电平信号切换到DMM

对于所有类型的低层测量，应使用一些技术：

• 使用高电阻绝缘的屏蔽式线缆。绝缘材料最好为非吸湿材料，如聚四氟乙烯。
• 所有测量应在设备（DMM和开关）预热至少15分钟后进行。之后，应确保环境温度无明显变化，尽可能在1°C内。
• 使用软件滤波和降噪技术。通常，可通过软件测量和校准恒定偏移量。如测量的是极低的信号，则应按路径校准测量结果。此外，增加DMM的测量孔径将增加测量平均，并提供更准确的读数。
• 确保线缆和导线远离潜在的电磁干扰源（如电源插座）。

低电压测量的主要考虑因素是与继电器相关的热EMF或偏移电压。

热EMF

当两个异种金属连接时，会产生电压。该电压称为热电动势(EMF)或Seebeck电压。Seebeck电压取决于连接点的温度和金属成分。特定的金属间交点产生特定的温度系数(µV/°C)，也称为Seebeck系数。下表列出了最常见的金属及其各自的塞贝克系数。

开关中的热EMF

机电继电器的导线通常由金属合金（最常见的是镍铁合金）组成，而开关模块的PCB通常由铜或铜合金组成。这两种不同金属的交叉点会产生热电偶，如下图所示。

注：继电器中的热电偶取决于接线端的温度。交叉点的温度随环境温度、激活的继电器数量、开关模块内部的空气流量以及相邻插槽中的开关模块类型变化。

信号路径可横向连接单个继电器或多个继电器。信号路径中所有热电偶的总和表示为热EMF。热EMF可指定为单路径（单线）或差分路径热EMF。下图为单路径测量的热EMF。

下图为在差分路径中测量的热EMF。

请参阅下面的“其他低电压技巧和技术”以最小化热EMF。

偏移电压

以上讨论适用于机电衔铁和舌簧继电器。FET和SSR开关的热EMF不同于簧片和电枢继电器。但由于继电器电路中的晶体管发热，它们会产生偏移电压。该偏移电压与电枢和舌簧继电器的热EMF相当，单位相同，因此可以比较这四种继电器类型的热偏移。

给出整个开关模块的热EMF或偏移电压额定值。例如，NI PXI-2503的热EMF为<2 µV。这不是开关模块中每个继电器的热EMF，而是整个模块的热EMF。此外，该值还被视为更糟糕的情况估计，即根据开关拓扑和所选通道，信号路径可能经过可变数量的继电器。

关于精度的补充说明

使用开关和DMM测量电压时，请务必在整体系统精度计算中考虑热EMF。

例如，如DMM的精度为4 µV，开关的差分路径热EMF为3 µV，则整个系统精度可按下式计算： √(4² + 3²) = 5 µV

因此，测量50 mV信号时，整个系统精度为0.01%。

哪些继电器用于低电压？

机电式电枢继电器的热偏移量相对较低，范围在<1 µV至10 µV之间。例如，NI PXI-2503电枢开关的热偏移量小于2 µV。此外，锁扣继电器比非锁扣继电器更受青睐，因为缺少线圈加热会将影响测量的EMF降至最低。

舌簧继电器具有更高的热EMF：从5 µV到50 µV。这是因为制造簧片继电器的铁磁材料。例如，NI PXI-2530B簧片开关的热偏移量为50 µV。

FET继电器的热偏移量更接近机电衔铁。例如，NI PXI-2501 FET开关的热偏移量为2.5 µV。

SSR继电器的热偏移量高于机电衔铁或FET开关。例如，SCXI-1128 SSR开关的偏移电压为<25 µV，范围为0 °C～25 °C。

顶部低电压选择

PXI-2501多路复用器/矩阵、PXI-2503多路复用器/矩阵、PXI-2527多路复用器

上述所有开关的热偏移量均较低，是低电压测量的理想选择。PXI-2501还具有极快速切换的优点：继电器扫描速率为15,000周期/秒，而机电衔铁继电器(PXI-2503, PXI-2527)为100操作/秒。但是，电枢继电器的热偏移通常略低于FET开关。

其他低电压技巧

在计量实验室中用于实现精确测量的常用方法是进行测量、转换导线、重复、减去和平均读数。

热EMF将始终存在于连接中，但请记住它取决于温度，因此误差可以最小化。如果连接不改变温度，则热电压稳定且可以校正；正是这些接线端之间的温度变化造成了问题（例如偏移漂移、不稳定和极低频率噪声）。防止温度变化的关键是防止循环气流干扰结的热平衡。这导致了低压测量的另一种规则：将接线端和连接点保持在稳定的温度，并远离运动、风扇等引起的气流。通过创建“热挡板”可以防止这些温差，例如，用普通泡沫填充物包裹连接点（即使是苯乙烯泡沫板也可以工作），并使其远离设备散热片和阳光等热源。

氧化铜时，Seebeck系数可轻易增加几百µV/°C。这将导致低电压测量的另一项规则：保持连接清洁。一种方法是先用铅笔橡皮擦清洁裸露的导线，直至导线闪闪发光，然后用纸巾清除橡皮碎片。清洁连线的另一种方法是使用Scotchbrite焊盘清洁连线。清洁连接后，请勿使用手指操作连接。皮肤油含有非常有效的腐蚀剂,加速多种金属的氧化。

烧断所需的最小电流

另一个问题是消耗电枢继电器触点上极小颗粒所需的电流。继电器处于打开位置时，闭合位置的触点上可累积小颗粒。进行接触时，需要最小的电流来烧掉这些颗粒并建立连接。对于较小的继电器，该值在mA范围内。对于具有较高最大额定电流的继电器，触点较大，因此颗粒沉积面积较大，需要较大的电流来烧掉这些颗粒。由于触点被包裹在惰性气体中，簧片继电器不受此问题影响。

顶部低电流选择

PXI-2530B多路复用器/矩阵，PXI-2532矩阵

由于使用簧片继电器，上述开关型号为最佳选择。

其他低电流技巧

低层测量易受误差和噪声源的影响，而高层测量通常可忽略这些误差和噪声源。在低电平信号环境中，没有任何材料是理想的绝缘体。某些材料的绝缘性能优于其他材料。选择合适的线缆和互连变得非常重要。

进行低电平电流测量时，噪声和误差源更容易影响10µA或更小的测量。考虑下表中列出的建议以确保测量完整性。

负载电压

负载电压是由流经电流测量设备的电流引起的电压降。较大的负载电压会影响被测电路，损坏测量。因此，负载电压应保持尽可能低。

下图显示了负载为5 Ω的1.5 V电源。为了测量电路上的电流，电流表与电路串联。在该图中，安培表的负载电压为0.5 V。

如果没有负载电压（图a），计算出的电流为：

I_实际值 = 1.5 V / 5 Ω

I_实际值 = 0.3 A

对于负载电压（图b），电路中的电流等于：

_测得 = (1.5 V-0.5 V ) / (5 Ω)

I_测得 = 0.2 A

在上图中，电流测量设备的负载电压减去5 Ω电阻上的电压。结果将导致测量中的重大误差。此时，由负载电压引起的误差为33%。使用分流电阻测量当今数字系统中常见的逻辑电压<3.3 V时，很容易出现类似问题。

关于每个量程的最大负载电压，见所用DMM的产品规范文档。

减少由安培表负载电压引起的误差的方法包括：

• 在DMM中使用电流函数时，应缩短开关的导线，并使用合适的线缆规格，以尽量减少导线的电压降。
• 使用外部分流进行远端感应，无需较长的电流线缆即可连接至开关和DMM。使用测量允许的最低分流电阻值。
• 将被测电路中的导线用作电阻分流。测量导线两端的电压降。然后，使用偏移补偿欧姆功能测量导线的电阻，并计算I = V_导线/R _oco。

路径电阻

切换低阻信号时，路径电阻再次成为主要考虑因素。路径电阻可通过软件从测量中校准，但允许具有较大路径电阻的开关将需要较大的增益和/或使用DMM的范围，这将降低测量的精度。更多信息见上述低电流下的路径电阻章节。

4线模式

对于电阻小于100 kΩ的精密测量，4线模式比2线模式精度更高。4线模式需要4线开关和更多线缆，但强烈建议使用极低电压。

下图为4线电阻测量，包括导线电阻：

在4线电阻测量中，电流通过源接线端(HI, LO)。传感器端子(HI_SENSE, LO_SENSE)配置为非常高的阻抗，该配置将电流引导通过被测电阻(RUT)。因此，电压在RUT以及R_LEAD1和R_LEAD4之间产生。通过使用传感导线(R_{LEAD2, RLEAD3})直接测量RUT两端的电压，源导线(R_LEAD1, R_LEAD4)的电压降将从测量路径中删除。

失调补偿欧姆

仅当测量不带偏移补偿欧姆(OCO)时，热EMF和偏移电压是一个因素。偏置补偿欧姆是用于消除电阻测试系统中偏置电压的DMM功能。测量包含两个周期，如下图所示。第一个图表示当前源ON的第一个周期：

第二个图表示当前源OFF的第二个周期：

最终结果是两个测量值之差。由于两个周期都存在失调电压，因此将其减去，不影响电阻计算。

使用哪些继电器？

因为路径电阻较低，机电电枢和簧片继电器都是低电阻测量的理想选择。例如，PXI-2503电枢开关的路径电阻为<1 Ω，PXI-2530B簧片开关的路径电阻为<2 Ω。由于路径电阻通常在kΩ范围内，不推荐使用FET和SSR开关。

顶部低电阻选取

PXI-2503多路复用器/矩阵电枢开关具有极低的路径电阻。如果需要更高的速度，PXI-2532矩阵和PXI-2530B多路复用器/矩阵多路复用器/矩阵簧片开关可提供更快的开关速度。

FET开关和机电电枢开关电压偏移量小，是满足低压开关需求的理想解决方案。强烈建议使用PXI-2501/2503/2527。
簧片开关具有低路径电阻和最小开关电流，是满足低电流开关需求的最佳解决方案。PXI-2530B/2532和都是不错的选择。
机电衔铁和舌簧开关由于其低路径电阻，非常适合切换低电阻信号。PXI-2503/2532/2530B为首选。

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