將初階訊號切換至 DMM
概觀
目前許多高解析度多功能數位電錶 (DMM)都能量測極低準位的訊號。舉例來說,NI PXIe-4081 DMM 是一款 71⁄2 位數的 DMM,可在微伏 (nanovolt)、微安培 (picoamp) 與微歐姆 (micro-ohm) 範圍內進行量測。許多人會擔心,在 DMM 前進行切換,會降低 DMM 進行這些低準位量測的能力。此篇技術文章將說明影響初階量測作業的基本要領、何款繼電器將可滿足這些原則、NI 推薦使用的繼電器、其他要訣與技巧等。
內容
所有訊號的一般考量
針對所有類型的低階量測,都應採用某些技術:
- 使用高電阻絕緣的包覆式連接線。絕緣層最好使用非吸濕材質，例如鐵氟龍。
- 所有量測作業皆應在設備 (數位電錶與切換器) 至少溫暖 15 分鐘後進行。之後,請確認環境溫度不會發生明顯的變化 (若可在 1°C 內)。
- 使用軟體濾波與雜訊抑制技術。常數偏移通常可透過軟體量測並加以校準。若要量測極低訊號,則應針對每個路徑校準量測結果。此外,增加 DMM 的量測間隙,即可增加所進行的量測均分,並提高讀取值。
- 避免連接線與導線發生電磁干擾,例如電源輸出。
低電壓
進行低電壓量測時,主要考量的是熱能 EMF,也就是與繼電器相關的偏移電壓。
Thermal EMF
當 2 個不同金屬相連時,就會產生電壓。此電壓稱為熱電動力 (EMF) 或塞貝克電壓。Seebeck 電壓取決於接點溫度與相連金屬的成分。特定金屬對金屬接點會產生特定的溫度係數 (μV/°C),也稱為塞貝克係數。下表列出了最常見的金屬及其各自的塞貝克係數。
| 點 | μV/°C | |
| <0.3 | |
| 0.5 | |
| 銅銀 | 0.5 | |
| 銅-黃銅 | 3 | |
| 銅-鎳 | 0.5 | |
| 銅-鉛錫焊料 | 1-3 | |
| 銅-鋁 | 5 | |
| 銅-科瓦合金 | 40 | |
| 銅氧化銅 | >500 |
切換器中的熱能 EMF
機電繼電器的導線通常是由金屬合金組成,通常是 nikkel-iron alloy,而切換器模組的 PCB 通常是由銅線或銅線合金組成。這兩種不同金屬之間的接點會形成熱電偶,如下圖所示。
 | 注意繼電器中開發的熱電偶取決於接點溫度。接點的溫度會根據環境溫度、啟動的繼電器數量、切換器模組內部的氣流,以及位於鄰近插槽中的切換器模組類型而有所不同。 |
訊號路徑可以圍繞單一繼電器或多個繼電器。訊號路徑中的所有熱電偶總和表示為熱能 EMF。熱能 EMF 可指定為單路徑 (單線) 或差動路徑熱能 EMF。下圖說明了單一路徑所量測的熱能 EMF。
下圖說明在差動路徑中量測到的熱能 EMF。
請參閱下方的「其他低電壓秘訣與技術」,以將熱能 EMF 降至最低。
偏移電壓
上述討論適用於機電基座與簧片繼電器。FET 與 SSR 切換器的熱能 EMF 並不包含在同義意義的語言中,也就是說,漿片與彈簧繼電器。不過,由於繼電器電晶體在電晶體電路中發熱,因此會產生偏移電壓。這樣的偏移電壓會與彈簧與簧片繼電器的熱能 EMF 相似,並以相同單位表示,因此我們可以比較四種繼電器的熱偏移。
會針對整個切換器模組提供熱能 EMF 或偏移電壓等級。舉例來說,NI PXI-2503 的熱能 EMF 為 <2 μV。這並非切換器模組中每個繼電器的熱能 EMF,而是整個模組的 EMF。此外,這個值也會視為較差情況的預估值,因為訊號路徑可能會根據切換器拓撲和所選通道,通過不同的繼電器數量。
準確度的其他說明
使用切換器與數位電錶量測電壓時,請務必在整體系統準確度計算中考量熱能 EMF。
舉例來說,若 DMM 的準確度為 4 μV,且切換器的差動路徑熱能 EMF 為 3 μV,則整體系統準確度的計算方式如下:√(42 + 32) = 5 μV
因此,量測 50 mV 訊號時,整體系統準確度為 0.01%。
哪些低電壓繼電器可用?
機電式安裝繼電器的熱偏移相對較低,範圍介於 <1 μV 到約 10 μV 之間。舉例來說,NI PXI-2503 接線切換器的熱偏移量小於 2 μV。此外,鎖定繼電器更適合非鎖定繼電器,因為缺乏線圈加熱可將 EMF 降至最低,進而影響量測作業。
Reed 繼電器的熱能 EMF 通常較高:從 5 μV 到 50 μV 以上。原因在於鐵磁性材質可做為簧片繼電器。舉例來說,NI PXI-2530B 簧片切換器的熱偏移量為 50 μV。
FET 繼電器的熱偏移較接近機電發電機。舉例來說,NI PXI-2501 FET 切換器的熱偏移量為 2.5 μV。
SSR 繼電器的熱偏移偏差高於機電式安裝或 FET 切換器。舉例來說,SCXI-1128 SSR 切換器的偏移電壓為 <25 μV (0 °C 至 25 °C)。
主要低電壓選項
PXI-2501 多工器/矩陣、PXI-2503 多工器/矩陣、PXI-2527 多工器
上列所有切換器均具備低熱偏移,非常適合用於低電壓量測。PXI-2501 的額外優勢在於切換速度極快：繼電器掃描速率為每秒 15,000 次，相較之下，機電式電樞繼電器 (PXI-2503、PXI-2527) 為每秒 100 次。不過,一般而言,對指令器繼電器的熱偏移比 FET 切換器的熱偏移略低。
其他低電壓秘訣與技術
在度量衡實驗室中,常用的量測技術是進行量測、切換引線、重複、扣除與平均讀數。
熱能 EMF 一律存在於連線中,但只要記得熱能與溫度息息相關,就能將誤差降到最低。如果連接不會改變溫度,則熱電壓會保持穩定,並且可修正;這些接點之間的溫度變化會造成問題 (例如偏移漂移、不穩定與極低頻率雜訊)。避免溫度改變的關鍵在於避免可能干擾接點的熱能平衡的空氣流動。因此,就低電壓量測而言,另一個規則是要讓接點與連接點保持穩定溫度,避免因運動、風扇等而造成的空氣循環電流。若要避免這些溫度差異,可以建立「熱能隔離」(Thermal Baffle),例如以常見的泡沫墊封接接點 (甚至可以使用 Styrofoam 片),並避免接觸設備散熱器和太陽光等熱源。
當銅氧化時,塞貝克係數可輕易增加數百 μV/°C。因此,就低電壓量測而言,另一個規則是保持連線清潔。其中一個選項是,只要使用鉛筆清洗器清洗裸線直到接線亮起,然後使用紙毛巾清除任何橡膠片段。另一種清潔連接方式,就是使用 Scotchbrite 墊片清理接線。清潔連接之後,請勿用指手處理連接。皮膚油含極有效的腐蝕劑,可加速許多金屬的氧化作業。
低電流
燃燒所需的最低電流
另一項考量因素,則是要消耗彈簧繼電器接觸點上的微小粒子所需的電流。當繼電器處於開放位置時,接觸點可能會累積小粒子,進而進入閉放位置。接觸時,就需要最低限度的電流,以消耗這些粒子並建立連接。針對較小的繼電器,此數量可在 mA 範圍內。就最高電流等級較高的繼電器而言,接觸器較大,因此可提供更大的粒子沉積空間,並需要更大的電流來消耗這些粒子。由於接觸點已封裝在高級氣體中,因此不存在此問題。
主要低電流選項
PXI-2530B 多工器/矩陣、PXI-2532 矩陣
上述切換器型號採用簧片繼電器,因此非常適合選擇。
其他低電流秘訣與技術
低準位量測容易受到誤差與雜訊來源的影響,而高準位量測往往會忽略這些誤差與雜訊。在低準位的訊號世界中,沒有材料是理想的絕緣體。某些材質比其他材質更好。選擇合適的連接線與互連方式顯得格外重要。
進行低準位電流量測時,雜訊與誤差來源更有可能影響 10μA 以下的量測作業。請考慮下表所列的建議,以確保量測完整性。
錯誤或雜訊來源
| 原因
| 感應誤差等級
| 推薦
|
| 輸入偏移電流 |
| 一般在 23 °C 環境下為 10 pA,但在該溫度下是原廠校準至零。 |
|
| 絕緣不良所造成的電流洩漏 | 在量測低準位電流時,絕緣體的洩漏電流也變得相當重要。高阻抗點與鄰近的電壓來源之間的電流。 | 取決於絕緣材質的電阻功能。範例包括:
| 請確認 DUT 的測試設備採用適合進行所需測試的材料,且測試設備是乾淨的。 |
| 以三電為原因的雜訊電流1 | 由於在隔離器與導體彼此摩擦時,電荷會在兩者之間傳輸,因此連接線會移動而產生電流。 | 聚乙烯連接線中有數百個 pA (例如 RG-58) |
|
| 壓電所造成的雜訊電流2 | 當絕緣體承受機械應力時,就會產生電流。 | 適用於聚乙烯的數百個 pA |
|
| 因污染與濕度而造成的誤差電流 | 濕度與污染增加時,絕緣電阻會降低。這兩者相結合,也有可能產生小型電化學感應電流。 | 從 pA 到 μA 的順序 |
|
| 電磁干擾與電場所造成的雜訊電流 | 周圍設備 (馬達、電源線、振動設備) 都有可能產生雜訊電流。移動人員與充電物件在量測設定附近時,可能會造成靜電偶合。 | 根據距離、裝置抗雜訊與相對運動幅度而定,從 nA 到數十 μA 的順序 |
|
| 負載電壓 | 請參閱下方的負載電壓部分 | 取決於受測的電路 | 在量測相關電路中的電流時,計算負載電壓所造成的誤差是否相關。請參閱下方的負載電壓部分以取得範例。 |
| 因外部切換而造成的電流洩漏 | 用於路由低準位電流的外接切換器可能是洩漏電流的來源。 | 視切換器、環境溫度與濕度而定。 |
|
| 1三位電效應可比照用於將特定絕緣體整合而造成的靜電現象。舉例來說,合併使用德氟與銀,即可產生極高的三電動產生電流雜訊。 2雖然在將聲波或實體振動壓力變化轉換為小型電壓訊號的感測器中,壓電效應非常受歡迎,但在連接線與互連裝置中,壓電效應卻是非常不受歡迎的。 |
負載電壓
負載電壓是由電流流經電流量測裝置所造成的電壓降。大型負載電壓可能會影響受測電路,進而影響量測作業。因此,應盡可能降低負載電壓。
下圖為具備 5 Ω 負載的 1.5 V 電源。若要量測電路的電流,請透過與電路串聯的電流計。在此圖中,電流計的負載電壓為 0.5 V。
如果沒有負載電壓 (圖 a),計算電流是:
I實際 = 1.5 V/5 Ω
我實際為 = 0.3 A
就負載電壓而言 (圖 b),此電路中的電流等於:
我量測得= (1.5 V-0.5 V)/ (5 Ω)
我量測得 = 0.2 A
在上圖中,電流量測裝置的負載電壓會減去 5 Ω 電阻器的電壓。最後會發生嚴重的量測錯誤。在此情況下,負載電壓所造成的誤差是 33%。使用分流電阻器量測邏輯電壓 <3.3 V 常見的電壓所汲取的電流時,可能會出現類似的問題。
針對每個範圍的最大負載電壓,請參閱用於 DMM 的規格文件。
可透過下列技術降低電流計負載電壓所造成的誤差:
- 在 DMM 中使用電流功能時，請盡量縮短連接至開關的導線長度，並使用適當線徑的連接線，以將導線的電壓降降至最低。
- 透過外部分流器進行遠端感測,免除對切換器與數位電錶的長電流傳輸連接線的需求。使用量測作業所允許的最低分流電阻值。
- 在受測電路中使用接線做為電阻分流器。量測整個接線的電壓降。接著,使用偏移補償歐姆 (Offset Compensated Ohms) 功能量測接線電阻,並計算 I = Vwire/Roco。
低電阻
路徑阻抗
切換低電阻訊號時,路徑電阻再次是主要考量。路徑電阻可在軟體中校準,但若允許具有較大的路徑電阻的切換器,則需要使用 DMM 進行更大的增益和/或範圍,進而降低量測解析度。請參閱上方的「 低電流 」路徑電阻部分,以取得更多資訊。
4 線式模式
針對電阻低於 100 kΩ 的精確量測,4 線式模式的準確度會高於雙線式模式。4 線式模式需要 4 線式切換與更多接線功能;不過,針對極低電壓則強烈建議使用此模式。
下圖顯示了包含導線電阻在內的 4 線式電阻量測:
在 4 線式電阻量測中,電流會被強制通過源極端子 (HI、LO)。感測端子 (HISENSE、 LOSENSE) 配置為極高阻抗,此配置會將電流導向經測試電阻 (RUT)。因此,電壓會在 RUT 與 RLEAD1 及 RLEAD4 之間產生電壓。使用感測引線 (RLEAD2、 RLEAD3) 直接量測跨 RUT 的電壓,即可從量測路徑中移除來源引線 (RLEAD1、 RLEAD4) 的電壓降。
偏移補償歐姆
只有在沒有偏移補償歐姆 (OCO) 的情況下進行量測時,熱能 EMF 與偏移電壓才會成為考量因素。偏移補償歐姆 (Offset Compensated Ohms) 是一款 DMM 功能,可在電阻測試系統中消除偏移電壓。量測作業包含 2 個週期,如下圖所示。第一個圖代表電流來源開啟的第一個週期:
第二個圖代表具有電流源 OFF 的第二個週期:
淨結果就是 2 次量測之間的差。由於偏移電壓會在 2 個週期中存在,因此會減去電壓,不會影響電阻計算。
要使用哪些繼電器?
機電式安裝與簧片繼電器都是低路徑電阻的絕佳選擇,適合用於低電阻量測。舉例來說,PXI-2503 接線切換器的路徑電阻小於 1 Ω,而 PXI-2530B 簧片切換器的路徑電阻小於 2 Ω。由於路徑電阻通常在 kΩ 範圍內,不建議使用 FET 與 SSR 切換器。
低電阻選項
PXI-2503 多工器/矩陣電源切換器的路徑電阻極低。如果需要提高速度,則可透過 PXI-2532 矩陣與 PXI-2530B 多工器/矩陣多工器/矩陣簧片切換器提供更快的切換速度。