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更好地利用數(shù)字萬用表測(cè)量的8項(xiàng)提示
2012-08-23
提示1 避免因連接、測(cè)試線和數(shù)字萬用表連線造成的測(cè)量誤差
消除因接線所造成誤差的最簡(jiǎn)單方法是進(jìn)行調(diào)零測(cè)量。對(duì)于直流電壓或電阻測(cè)量，要選擇適合的測(cè)量量程，然后把探頭接到一起并等待一個(gè)測(cè)量 — 這是最接近于零輸入的情況 — 然后按調(diào)零(null)按鈕。以下得到的讀數(shù)將扣除調(diào)零測(cè)量的結(jié)果。調(diào)零測(cè)量非常適合直流和電阻測(cè)量功能。但這項(xiàng)這技術(shù)并不適合交流測(cè)量。交流轉(zhuǎn)換器在量程的較低部分不能很好工作;Agilent 34401A 數(shù)字萬用表的模擬轉(zhuǎn)換器未規(guī)定低于10%滿度時(shí)的技術(shù)指標(biāo)。Agilent 34410A 和34411A數(shù)字萬用表用數(shù)字技術(shù)，能一直測(cè)量到1%滿度，但也不能用于測(cè)量短路。
連接
如果您用不同金屬連接，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)熱偶結(jié)。熱偶結(jié)產(chǎn)生隨溫度變化的電壓。這一電壓雖然很低，但如果您正在測(cè)量小電壓，或您的系統(tǒng)有許多連接，就需要認(rèn)真對(duì)待這一問題。可認(rèn)為這一熱偶結(jié)是在DUT 處、繼電器(多路轉(zhuǎn)換器)處和您數(shù)字萬用表處。使用銅 - 銅結(jié)可把這一偏置量減到最小。
在進(jìn)行電阻測(cè)量時(shí)，您可使用偏置補(bǔ)償測(cè)量任何偏置電壓，并扣除這項(xiàng)誤差。圖1示出在偏置補(bǔ)償測(cè)量中進(jìn)行的兩次測(cè)量，第一次測(cè)量帶有電流源，第二次測(cè)量沒有電流源。把第一個(gè)讀數(shù)減第二個(gè)讀數(shù)，再除以已知的電流源電流值，就得到實(shí)際電阻值。由于測(cè)量中要取兩個(gè)讀數(shù)，因此讀數(shù)速度會(huì)降低，但測(cè)量精度將提高。偏置補(bǔ)償既可用于兩線，也可用于四線電阻測(cè)量。
使用兩次測(cè)量的偏置補(bǔ)償。第一次測(cè)量是標(biāo)準(zhǔn)歐姆測(cè)量; 第二次是測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的偏置量。電壓表讀數(shù)是這兩次測(cè)量的差除以已知電流源。
連線
四線歐姆法是測(cè)量小電阻的最精確方法。用這種方法能自動(dòng)扣除測(cè)試線電阻和接觸電阻。四線電阻測(cè)量連接見圖2。使用一個(gè)已知電流源和測(cè)量電阻器產(chǎn)生的電壓，就能計(jì)算出未知電阻值。一組附加測(cè)試線用來承載至未知電阻器的電流，在它上面產(chǎn)生的電壓可通過電壓感應(yīng)線測(cè)量。沒有電流流過電壓感應(yīng)線，因此它也不會(huì)產(chǎn)生電壓降。
沒有電流流過電壓敏感線。 數(shù)字萬用表用所測(cè)電壓值除以已知電流，從而得到未知電阻值。
內(nèi)部數(shù)字萬用表偏置
自動(dòng)歸零用于消除數(shù)字萬用表內(nèi)部的誤差源。在自動(dòng)歸零被啟用時(shí)，數(shù)字萬用表在每次測(cè)量后從內(nèi)部斷開輸入信號(hào)，得到一個(gè)零讀數(shù)。然后在接著的測(cè)量中減去該零讀數(shù)。這樣就避免了數(shù)字萬用表輸入電路中所存在偏置電壓對(duì)測(cè)量精度的影響。四線測(cè)量中自動(dòng)歸零是始終啟用的，但您可為提高測(cè)量速度而禁用自動(dòng)歸零功能。當(dāng)自動(dòng)歸零禁用時(shí)，數(shù)字萬用表取一次零讀數(shù)，然后把它從隨后的所有測(cè)量中扣除。在您每次改變功能、量程或積分時(shí)間時(shí)，都會(huì)取一次新的零讀數(shù)。
提示2 測(cè)量大電阻
穩(wěn)定時(shí)間效應(yīng)
與電阻器并聯(lián)的電容會(huì)在最初連接后和量程改變后產(chǎn)生穩(wěn)定時(shí)間誤差。現(xiàn)代數(shù)字萬用表插入一個(gè)觸發(fā)延遲，它給出用于使測(cè)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。觸發(fā)延遲的長度取決于所選的功能和量程。在電纜和裝置的組合電容量小于數(shù)百pF 時(shí)，這些延遲對(duì)于電阻測(cè)量是足夠的，但如果電阻器上有并聯(lián)的電容，或您測(cè)
量的是高于100 kΩ 的電阻，默認(rèn)的延遲也許是不夠的。由于RC時(shí)間常數(shù)的影響，穩(wěn)定可能需要相當(dāng)長的時(shí)間。有些精密電阻器和多功能校準(zhǔn)器使用并聯(lián)的電容器(1000 pF 至100 μF)，它和高值電阻器一起濾除由內(nèi)部電路注入的噪聲電流。由于電纜和其它裝置中的介電吸收(浸潤)效應(yīng)，有可能會(huì)增加RC 時(shí)間常數(shù)，并要求更長的穩(wěn)定時(shí)間。在這種情況下，您可能需要在進(jìn)行測(cè)試前先增加觸發(fā)延遲。
電容存在時(shí)的偏置補(bǔ)償
如果電阻器上有并聯(lián)電容，就可能需要關(guān)斷偏置補(bǔ)償。當(dāng)偏置補(bǔ)償在沒有電流源的情況下取第二個(gè)讀數(shù)時(shí)，它將測(cè)量任何電壓偏置。但如果裝置有長的穩(wěn)定時(shí)間，就會(huì)造成有誤差的偏置測(cè)量。數(shù)字萬用表會(huì)把同樣的觸發(fā)延遲用于偏置測(cè)量，以試圖避免穩(wěn)定時(shí)間問題。增加觸發(fā)延遲是使裝置完全穩(wěn)定的另一解
決方案。
高電阻測(cè)量中的連接
在您測(cè)量大電阻時(shí)，絕緣電阻和表面污染會(huì)造成相當(dāng)大的誤差。需采取各種預(yù)防措施保持高阻系統(tǒng)的“清潔”。測(cè)試線和夾具對(duì)絕緣材料和“骯臟”表面膜層吸濕所造成的泄漏非常敏感。與PTFE Teflon絕緣體(109 Ω)相比，尼龍和PVC是相對(duì)差的絕緣體(1013 GΩ)。如果您在潮濕條件下測(cè)量1 MΩ 電阻，尼龍或PVC 絕緣體泄漏對(duì)誤差的貢獻(xiàn)很容易達(dá)到0.1%。
提示3 用直流偏置進(jìn)行交流測(cè)量
許多信號(hào)包含AC和DC兩種成份。例如不對(duì)稱方波就包含這兩種成份。許多聲頻信號(hào)中也含有由DC偏置電流產(chǎn)生的DC偏移，該電流用于驅(qū)動(dòng)輸出晶體管。有些情況需要測(cè)量DC+AC電壓，而另一些情況可能只需要AC成份。對(duì)于這一聲頻例子，放大器增益就是把輸入AC電壓與輸出AC 電壓相比較。
大多數(shù)現(xiàn)代萬用表在AC RMS轉(zhuǎn)換器前面使用一個(gè)隔直流電容器。它隔離DC電壓，而允許萬用表只測(cè)量AC值。更重要的是萬用表可為實(shí)現(xiàn)最好的測(cè)量標(biāo)度AC信號(hào)。例如在測(cè)量電源的AC紋波時(shí)，萬用表隔離高電平的DC，而根據(jù)按AC成分選擇的量程放大AC 信號(hào)。
為進(jìn)行最精確的AC+DC測(cè)量，應(yīng)獨(dú)立測(cè)量這兩種成分。萬用表可通過使用適合的量程和抑制AC 成分的積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)所可能的最好DC測(cè)量。在進(jìn)行AC測(cè)量時(shí)，要按AC成份選擇適宜的量程。您可使用如下公式計(jì)算AC+DC RMS 值:True RMSAC+DC = √ ( AC2 + DC2 )
Agilent 新的34410A 和34411A在進(jìn)行AC 電壓測(cè)量時(shí)使用隔直流電容器。AC 的測(cè)量采用數(shù)字技術(shù)，可得到更快的穩(wěn)定時(shí)間，并能處理更高的峰值因子，這是在測(cè)量脈沖串時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的情況。在測(cè)量脈沖時(shí)，要確保脈沖不包含高于萬用表帶寬的頻率。34410A 和34411A能測(cè)量達(dá)300 kHz的AC信號(hào)。如果有大量AC成分的頻率低于8 kHz，那么34410A 和34411A 會(huì)有帶峰值檢測(cè)的DC功能精確測(cè)量DC和AC成分。對(duì)于更高頻率的信號(hào)，您可單獨(dú)測(cè)量AC成分，再用公式計(jì)算AC+DC的測(cè)量結(jié)果。
提示4 用數(shù)字萬用表測(cè)量低頻交流信號(hào)
大多數(shù)現(xiàn)代萬用表可測(cè)量頻率低至20 Hz 的AC信號(hào)。但有些應(yīng)用要求測(cè)量更低頻率的信號(hào)。為進(jìn)行這樣的測(cè)量，您需要選擇適合的萬用表，并進(jìn)行適宜的配置。請(qǐng)看下面這些例子:
Agilent 34410A 和34411A 萬用表使用數(shù)字采樣技術(shù)，可進(jìn)行低至3 Hz 的真有效值測(cè)量。它通過數(shù)字方法在慢濾波器時(shí)把穩(wěn)定時(shí)間提高到2.5 s，為進(jìn)行最好的測(cè)量，您應(yīng)注意:
1. 設(shè)置正確的AC 濾波器非常重要。濾波器用于平滑真有效值轉(zhuǎn)換器的輸出。在頻率低于20 Hz時(shí)，正確的設(shè)置是LOW。在LOW濾波器設(shè)置時(shí)，通過插入2.5 s延遲保證萬用表穩(wěn)定。用如下命令設(shè)置低濾波器。
VOLTage:AC:BANDwidth MIN
2. 如果您知道被測(cè)信號(hào)的最大電平，應(yīng)設(shè)置手動(dòng)量程，以幫助加快測(cè)量。每次低頻測(cè)量的較長穩(wěn)定時(shí)間將會(huì)顯著減慢自動(dòng)量程。
我們推薦您設(shè)置手動(dòng)量程。
3. 34401A 用一個(gè)隔直流電容器阻斷AC RMS 轉(zhuǎn)換器測(cè)量直流信號(hào)。從而允許萬用表用最好的量程測(cè)量AC 成份。在測(cè)量具有高輸出阻抗的源時(shí)，為保證隔直流電容器的穩(wěn)定，需要保證有充裕的時(shí)間。穩(wěn)定時(shí)間不受AC 信號(hào)頻率影響，但會(huì)受DC 信號(hào)中任何變化的影響。
The Agilent 3458A 有三種測(cè)量AC RMS 電壓的方法; 它的同步采樣模式能測(cè)量低至1 Hz 的信號(hào)。為把萬用表配置為進(jìn)行低頻測(cè)量:
1. 選擇同步采樣模式:
SETACV: SYNC
2. 在您使用同步采樣模式時(shí)，對(duì)于ACV 和ACDCV 功能，輸入信號(hào)是DC 耦合的。在ACV 功能時(shí)，用數(shù)學(xué)方法把DC 成分從讀數(shù)中扣除。這是重要的考慮，因?yàn)榻M合的AC 和DC 電壓電平可能造成過載條件，即使AC電壓本身并未超載。
3. 選擇適宜的量程可加快測(cè)量，因?yàn)楫?dāng)您測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)，自動(dòng)量程特性會(huì)造成延遲。
4. 為對(duì)波形采樣，萬用表需要確定信號(hào)周期。用ACBAND 命令確定暫停值。如果您未使用ACBAND 命令，萬用表可能會(huì)在波形重復(fù)前暫停。
5. 同步采樣模式用電平觸發(fā)同步信號(hào)。但輸入信號(hào)上的噪聲有可能造成假的電平觸發(fā)，而得到不精確的讀數(shù)。重要的是選擇能提供可靠觸發(fā)源的電平。例如要避免正弦波的峰值，因?yàn)樾盘?hào)變化較慢，而噪聲卻很容易造成假觸發(fā)。
6. 為得到精確的讀數(shù)，要保證您周圍的環(huán)境在電氣上是“安靜”的，并使用屏蔽測(cè)試線。啟用電平濾波、LFILTER ON，以降低對(duì)噪聲的靈敏度。
配置34401A可采用與34410A和34411A相同的配置方法。34401A
用帶有隔直流電容器的模擬電路轉(zhuǎn)換有效值電壓。它可測(cè)量低至3 Hz的信號(hào)。為達(dá)到最好測(cè)量結(jié)果，要選擇低頻濾波器、使用手動(dòng)量程，并驗(yàn)證各種直流偏置是穩(wěn)定的。當(dāng)您使用慢濾波器時(shí)，即插入了7 s的延遲，從而保證了萬用表的穩(wěn)定。
提示5 選擇用于數(shù)字萬用表溫度測(cè)量的傳感器
有四種常用于數(shù)字萬用表溫度測(cè)量的傳感器: 電阻溫度探測(cè)器(RTD)、熱敏電阻、IC溫度感應(yīng)器件和熱偶。它們各有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
用熱敏電阻得到更好的靈敏度
熱敏電阻由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，可提供很高的靈敏度，但它們只有有限的溫度范圍，通常為-80°C 至150°C。熱敏電阻的溫度和電阻的關(guān)系是非線性的，因此變換算法非常復(fù)雜。Agilent 萬用表用標(biāo)準(zhǔn)Hart-Steinhart近似提供精確的變換，典型分辨率為0.08°C。
用RTD 得到更好的精度
電阻溫度探測(cè)器(RTD)提供電阻和溫度間非常精確和高度線性的關(guān)系，可測(cè)溫度范圍約為-200°C至500°C。如Agilent 34410A 這類現(xiàn)代萬用表提供IEC 751 標(biāo)準(zhǔn)RTD 的溫度測(cè)量，其靈敏度為 0.0385 Ω/°C。
IC 溫度感應(yīng)器件產(chǎn)生與攝氏度呈線性關(guān)系的電壓
許多廠商提供能產(chǎn)生電壓正比與攝氏度和華氏度的探頭。這些探頭通常使用IC 溫度感應(yīng)器件，例如National Semiconductor LM135系列。這類IC器件可覆蓋-50°C至+150°C的溫度范圍。您能容易地按萬用表顯示的探頭輸出計(jì)算溫度。例如270 mV 即相當(dāng)于27°C。
提供極端溫度測(cè)量的熱偶
熱偶可測(cè)量-210°C至1100°C的極寬溫度范圍，它堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求。與其它類型的溫度感應(yīng)器件不同，熱偶進(jìn)行的是相對(duì)溫度測(cè)量，因此還需要有一個(gè)進(jìn)行絕對(duì)溫度測(cè)量的參考結(jié)。但對(duì)大多數(shù)應(yīng)用來說，增加一個(gè)外部參考結(jié)并不現(xiàn)實(shí)。我們推薦使用Agilent34970A數(shù)據(jù)記錄儀和帶內(nèi)置參考結(jié)的34901A 20通道多路開關(guān)。34970A上也有內(nèi)置的、適用于常用熱偶的溫度變換算法。
小結(jié)
為監(jiān)視一個(gè)溫度，熱敏電阻和34410A 這樣的萬用表是簡(jiǎn)單的低價(jià)解決方案。要得到精確的溫度讀數(shù)，應(yīng)使用RTD。在監(jiān)視多個(gè)溫度或高溫時(shí)，專用數(shù)據(jù)記錄儀是最好的選擇。
提示6 用萬用表進(jìn)行成組的測(cè)量
萬用表一般使用兩級(jí)觸發(fā)系統(tǒng);為得到一個(gè)讀數(shù)，必須滿足兩套觸發(fā)條件。圖6示出在34401A 萬用表中使用的兩級(jí)觸發(fā)模型。通常把采樣數(shù)和觸發(fā)數(shù)都設(shè)置為1，在接收到一個(gè)觸發(fā)時(shí)取一個(gè)讀數(shù)。也可增加采樣數(shù)，也就是在接收到一個(gè)觸發(fā)時(shí)取N 個(gè)讀數(shù)。如果采樣數(shù)保持為1，而把觸發(fā)數(shù)增加到N，那么每次讀數(shù)都要求觸發(fā)。在這兩種情況下，需要在各讀數(shù)間插入觸發(fā)延遲。
默認(rèn)的觸發(fā)延遲由萬用表配置，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的穩(wěn)定，其變化決定于量程和功能。觸發(fā)延遲可以手動(dòng)設(shè)置。必須注意這一延遲是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，會(huì)有描寫時(shí)間變動(dòng)量。此外，測(cè)量時(shí)間也會(huì)有變化，因此難以用這種方案采樣固定時(shí)間間隔的信號(hào)。圖7展示使用觸發(fā)延遲進(jìn)行的一系列測(cè)量。
圖8示出第二種觸發(fā)模型。這是在34410A、34411A 和3458A 中使用的模型。它允許獨(dú)立設(shè)置觸發(fā)延遲和采樣間的時(shí)間。此外，用采樣環(huán)(n個(gè)讀數(shù))可更快地得到讀數(shù)和實(shí)現(xiàn)最小的時(shí)間變動(dòng)量。大多數(shù)采樣環(huán)在硬件中實(shí)現(xiàn)，由最少的固件
保證一致性的定時(shí)。
34410A、34411A和3458A可配置為盡可能快地采樣讀數(shù)，但也可以使用定時(shí)器。
為配置突發(fā)測(cè)量，應(yīng)設(shè)置觸發(fā)延遲，以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)后和第一個(gè)讀數(shù)前的穩(wěn)定。用定時(shí)器設(shè)置讀數(shù)間的精確時(shí)間間隔。34410A 和34411A有前面板數(shù)據(jù)記錄能力，可簡(jiǎn)化突發(fā)測(cè)量的配置。
提示7 用萬用表檢測(cè)峰值
萬用表能很好地用直流功能采樣低頻信號(hào)。通常帶寬限制為8 kHz或更低。傳統(tǒng)上是用模擬峰值檢測(cè)電路捕獲和保持峰電壓，直到A/D電路能夠測(cè)量這一電壓。這項(xiàng)技術(shù)提供高帶寬，也可用于捕獲持續(xù)時(shí)間很短的尖峰。在多通道系統(tǒng)中也使用這項(xiàng)技術(shù)，此時(shí)一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器與各通道上的峰探測(cè)器相連。這種常用技術(shù)能非常快地采樣信號(hào)，保存它的極大值和極小值。
在許多應(yīng)用中，示波器所顯示噪聲尖峰所包含的能量是較小的。噪聲通常由 EMI 引入，并有可能屏蔽掉所感興趣的信號(hào) — 例如汽車引擎就會(huì)產(chǎn)生很大的EMI。物理量測(cè)量，如溫度和油量傳感器的測(cè)量結(jié)果通常改變很慢。這樣就會(huì)在所使用的濾波器和較慢的A/D 中注入高頻噪聲。因此不需要用高速A/D采樣濾波器的輸出。
對(duì)于峰值的確定和測(cè)量，萬用表是非常合適的工具。萬用表提供信號(hào)調(diào)理(增益、衰減和低通濾波)及適宜的采樣率(1 kSa/s至50 kSa/s)。大多數(shù)萬用表有內(nèi)置的運(yùn)算功能，可用來確定最大值和最小值。為得到最高讀數(shù)率，您可能要進(jìn)行后處理，因?yàn)檫\(yùn)算功能也許會(huì)減慢讀數(shù)率。增讀數(shù)速度的其它方法包括選擇小的時(shí)隙，關(guān)斷自動(dòng)歸零和顯示。
表征信號(hào)和確定峰值是帶有峰值檢測(cè)特性Agilent 新34410A 和34411A萬用表經(jīng)常遇到的任務(wù)。在您監(jiān)視一個(gè)直流信號(hào)時(shí)，可以用副顯示示出高峰值、低峰值和峰峰值。無論萬用表取何時(shí)隙設(shè)置，峰值檢測(cè)特性始終以50 kSa/s 采樣，并且不需要數(shù)學(xué)運(yùn)算。圖9示出每次讀數(shù)后的常規(guī)峰讀數(shù)更新。
取得一個(gè)讀數(shù)的一種替代方案是設(shè)置為一組讀數(shù)，在一組直流讀數(shù)中只返回一個(gè)峰值測(cè)量結(jié)果，如圖10 所示。
第三種方案是改變?nèi)f用表的測(cè)量時(shí)隙時(shí)間，進(jìn)行一次長時(shí)間的讀數(shù)。這第三種方法如圖11 所示。一次較長的測(cè)量返回一個(gè)峰值測(cè)量結(jié)果。
34410A和34411A峰檢測(cè)每20 μs采樣一次信號(hào)。峰值將保持到下一次觸發(fā)。您可改變測(cè)量時(shí)隙時(shí)間，從而把峰值保持較長時(shí)間。每次峰值測(cè)量都提供峰峰值、高峰值和低峰值。
提示8 用附件讓萬用表發(fā)揮最大的效能
更容易地檢測(cè)
您往往要把雙電路板的檢測(cè): 觀看造成探頭的滑動(dòng)。34401A、34410A 和定有效讀數(shù)的讀數(shù)的讀數(shù)使您能集Agilent 34133A精密工作更為容易。這輕，并配有使用Agilent 專利點(diǎn)測(cè)頭可幫助吸收小的滑刺入焊點(diǎn)中。
高壓和大電流探測(cè)
高壓探頭使您能用萬用表安全地測(cè)量高壓。Agilent 34136A高壓探頭由34401A、34410A 和34411A 使用，它有固定的輸入阻抗模式(輸入電阻為 10 MΩ)。該探頭是1000:1的分壓器，把電壓表的測(cè)量能力擴(kuò)展到40 kV DC。
您可用 Agilent 34330A 電流分流器(如上圖所示)測(cè)量直流和低頻交流電流 (30 A，15 A 連續(xù))，它是精密的0.001 Ω電阻器，裝在由環(huán)氧樹脂密封的塑料盒中。該分流器通過1 A電流時(shí)的輸出為1 mV。可通過分流器上的接線柱測(cè)量該電流。只需
把導(dǎo)線牢固地接到接線柱上。
把探頭和手冊(cè)與儀器放在一起
您經(jīng)常為尋找探頭或用戶手冊(cè)而花費(fèi)時(shí)間嗎？如果把它們放在儀器的“背包”里，就始終知道它們的位置。Agilent 提供可放在我們常用萬用表頂部的兩種尺寸尼龍包34162A適于較短的儀器，如34410A和34411A 萬用表。34161A 適合34401A 和34420A 萬用表。
要進(jìn)行四線歐姆測(cè)量嗎?
需購買另外的探頭。
如果您要作四線歐姆測(cè)量，就需要第二套測(cè)試線。34138A測(cè)試線適用于34410A 和34411A。它包括一些很尖的探頭和小的抓鉤。Agilent34132A 豪華型測(cè)試線套件包括2 條測(cè)試線，可插拔的彈簧壓著探鉤線，鱷魚夾，觸針及尼龍袋。
建立整潔的接線座，把偏置誤差減到最小
Agilent 34171A 數(shù)字萬用表輸入端連接器座是一套兩個(gè)連接器，它提供接線到所有5 個(gè)輸入端的方便和可靠的方法。端子用低熱銅合金制作，可把不同金屬連接的感應(yīng)電壓減到最小。它適用于34401A、34410A和34411A。為實(shí)現(xiàn)最小的熱偏置電壓，要使用與所有連接器相同尺寸的裸銅線。
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