Dlaczego nie ma żadnego multimetru 9,5 cyfrowego lub wyższego?

Dlaczego nie można kupić 9 ¹ / ₂ -cyfrowy multimetr?

Czy nie ma takiej potrzeby? Jest to 8 ¹ / ₂ -cyfrowy multimetr najnowszy high end można kupić? Próbowałem Keysight, Keithley i Fluke, ale nic nie stoi wyżej niż 8 ¹ / ₂ cyfry.

Cztery powody:

• Ponieważ nowoczesne liczniki mają funkcję automatycznego przełączania.
• Ponieważ zakres dynamiczny systemu analogowego nie będzie wspierać 9 ¹ / ₂ cyfry z zakresu 1 V piętro hałas będzie w nanowoltów (nie można dostać niższe niż nanowoltów powodu szumu termicznego, bez chłodzenia, co znaczące twój pomiar w celu zmniejszenia temperatury hałasu termicznego), a wszystkie cyfry poniżej 9 byłyby głośne.
• Przetworniki ADC mają zwykle zakres 5 V, a nawet w przypadku 24-bitowego przetwornika ADC, będziesz miał około 60 nV na bit, co ogranicza rozdzielczość ostatnich cyfr.
• Na 6,5-cyfrowych miernikach, które są powszechnie używane, w większości pomiarów w normalnym laboratorium występują zakłócenia w zakresie UV. Ostatnie cyfry są zwykle hałaśliwe na liczniku 6,5 cyfr. Jeszcze jedna cyfra może być przydatna w niektórych aplikacjach, kolejne 3 cyfry byłyby niepoważne.

Nawet metrów nanowoltów nie mają 9 ¹ / ₂ cyfry.

W przypadku większości pomiarów wystarczy 6 (lub więcej) cyfr, ponieważ należy zachować szczególną ostrożność, aby obniżyć poziom hałasu poniżej 1 μV.

Oto fajna skala, która również ilustruje tę kwestię:

Źródło: Zrozumienie i stosowanie odniesień do napięcia

Trudno jest uzyskać zyski większe niż 140dB z podsystemem analogowym, a pod tym względem masz również ograniczoną rozdzielczość. Zysk nie pomaga ze względu na szum związany z całą elektroniką analogową, wzmacniasz sygnał, a także hałas.

Działy marketingu mogą poprosić o więcej cyfr, ale to nie pomoże inżynierom.

Pomijając wyzwania związane z przetwarzaniem sygnału, przyjrzyjmy się niektórym poziomom hałasu.

Rezystor 62 Ω wytwarza szum RMS o wartości 1 nanowolta / rtHz przy 290 kelwinach i ignoruje różne czynniki powodujące defekty kryształów, z których niektóre są zależne od poziomu prądu i mogą zwiększać ten nanowolt o rzędy wielkości.

Mamy więc podłogę szumu losowego o wartości 1 nanowolta, w pełnym zakresie wejściowym 1 wolt. Jeśli ograniczysz efektywną przepustowość szumu do 1 cyklu na sekundę.

To daje nam 9 cyfr dziesiętnych lub 30 bitów (lub ze znakiem 31 bitów).

Ile mocy sygnału wejściowego musimy mieć?

Używając V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) dla filtra z przełączanym kondensatorem, uczymy się, że kondensator 10 pF przy 290 stopniach Kelvina wytworzy losowy szum 20 mikrowoltów RMS. Ten hałas pochodzi z PRZEŁĄCZNIKA (np. FET, ponieważ FET jest wyłączony).

Musimy zmniejszyć poziom hałasu o 20 000 razy.

Wymaga to kondensatora o wielkości 10 pF * 20000 * 20000 = 4000 * 1000 * 1000 pF.

Lub 4 milifarady.

Jakiej energii wymaga to czujnik?

Moc = częstotliwość * pojemność * napięcie ^ 2

Moc czujnika = 1 * 0,004 farad * 1 wolt ^ 2

Moc czujnika = 0,004 wata

Jakie czujniki wytwarzają 4 miliwaty? Wkładka gramofonowa z ruchomą cewką o wartości 10 omów (rezystancja cewki) może wytwarzać 200 mikrowoltów RMS; używając Power = Vrms ^ 2 / Resistance, znajdujemy Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWaty; dlatego nie powinniśmy oczekiwać 30-bitowej muzyki z płyt winylowych, nawet w przypadku mocno przefiltrowanych dźwięków.

Teraz, dla zabawy, zgadnij, jaka jest efektywna szerokość pasma hałasu 62 omów i 0,004 Farady? Narożnik -3dB wynosi około 4 radianów na sekundę. Łącząc DC z nieskończonością, otrzymujesz 6,28 radianów na sekundę.

Czy natura nie jest zabawna?

Oprócz tego, że rozumiem potrzebę i dokładność, istnieją jeszcze dwa inne problemy: wyciek i hałas.

Jeśli przejdziesz do wysokiego napięcia (np. Mierząc 100 woltów do 9,5 cyfr) napotykasz problemy z upływem: napięcie powoduje, że małe prądy przepływają między wieloma różnymi punktami (np. Między dodatnimi i ujemnymi kablami zaciskowymi w kablu koncentrycznym, wewnątrz przełączniki miernika itp.), co sprawia, że ​​ostatnia cyfra nie jest tak przydatna w porównaniu do licznika 8,5 cyfr, który już tam jest.

Ale gdy przejdziesz do niższych napięć, powiedzmy 1 wolt, napotkasz problemy z hałasem i przesunięciem termicznym. Ostatnia cyfra na 1 woltach to 1 nanowolt. Biorąc pod uwagę pożądaną impedancję wejściową (ponieważ nawet najmniejsze obciążenie będzie miało efekt przy 9,5 cyfrze), potrzebujesz niezwykle długich czasów pomiaru, aby pozbyć się szumu termicznego. W tym momencie na zdjęciu pojawia się szum 1 / f i wszystko pogarsza się. I jakby to nie wystarczyło: napięcia termiczne (napięcie generowane między dwoma metalami, gdy występuje na nich gradient temperatury) mogą być rzędu mikrowoltów!

Wszystkie te rzeczy wymagają niesamowitej kontroli, aby obejść, poza tym, co jest realistycznie możliwe w laboratorium (w rzeczywistości, aby uzyskać prawdziwą wydajność z 6,5-cyfrowego miernika w niższych zakresach, musisz już wziąć takie rzeczy jak EMF termiczne i wyciek pod uwagę), chyba że wykonujesz ekstremalną kalibrację. W takich przypadkach absolutne laboratoria referencyjne zwykle wykorzystują niestandardowe referencje oparte na złączach Josephsona, w których temperatury kriogeniczne i fizyka kwantowa są wykorzystywane do przekształcenia pomiaru czasu (częstotliwości, naprawdę) w pomiar napięcia. Mogą one kosztować wiele tysięcy tysięcy dolarów i wymagają dużej wiedzy specjalistycznej do obsługi.

Prawdopodobnie istnieje taka potrzeba, ale nie jest to duża potrzeba. Niewiele osób potrzebuje takiej dokładności, tylko niektóre zaawansowane firmy, które prawdopodobnie produkują maszyny o takiej dokładności (w przypadku części, które należy mierzyć za pomocą 9,5 cyfrowego miernika DMM). Jednak mogę sobie wyobrazić, że istnieje „potrzeba”, a przynajmniej życzenie.

Powodem, dla którego ich nie ma, jest to, że wykonanie takiej z taką dokładnością jest prawdopodobnie bardzo kosztowne; jeśli jest to w ogóle możliwe, jest zbyt kosztowne i nikt go nie kupi.

Analogią jest znana firma produkująca płytki krokowe, która produkuje maszyny z dokładnością nm. Te maszyny w dużym stopniu zależą od jakości soczewek optycznych. Na świecie jest bardzo niewiele firm, które potrafią produkować dobre soczewki, a ta firma oferująca płytki waflowe chciałaby mieć lepsze soczewki, ale tylko kosztem, że mogą je odzyskać od klientów.

$100\,\text{V}$$\mu\text{V}$

Jednym problemem z 8,5 cyfrowymi miernikami i pomiarami na tym poziomie jest to, że musisz radzić sobie z potencjałami termicznymi i potencjałami kontaktowymi, które poważnie obniżają twoją dokładność. Ponadto oba efekty są zwykle zależne od temperatury, co obniża twoją precyzję, chyba że masz dobrą stabilność termiczną konfiguracji testowej. Gdybyś miał 9,5-cyfrowy multimetr, musiałbyś mieć jeszcze lepszą kontrolę nad środowiskiem pomiarowym.

Jeśli naprawdę potrzebujesz naprawdę 9,5-cyfrowego multimetru, obecna technologia ADC nie jest wystarczająca. Podejrzewam, że w tym celu można ustawić kriogeniczną pułapkę Penninga. Musiałby być zbudowany na zamówienie, kosztować kilkaset tysięcy dolarów i doktorantów od jednego do dwóch. Ale można to zrobić! Kalibracja byłaby najtrudniejszą częścią, ale można ją wykonać w oparciu o tablicę połączeń Josephsona (podstawowy standard).