Perché non esiste un multimetro da 9,5 cifre o superiore?

Perché non è possibile acquistare un multimetro a 9 ¹ ⁄ ₂ cifre?

Non ce n'è bisogno? Un multimetro da 8 ¹ ⁄ ₂ cifre è l'ultimo di fascia alta che puoi acquistare? Ho provato Keysight, Keithley e Fluke, ma non c'è niente di più grande di 8 ¹ ⁄ ₂ cifre.

Quattro motivi:

• Perché i contatori moderni hanno una funzione di autoranging.
• Poiché la gamma dinamica del sistema analogico non supporterebbe 9 ¹ ⁄ ₂ cifre, con un intervallo di 1 V il rumore di fondo sarebbe nei nanovolt (non si può ottenere più basso dei nanovolt a causa del rumore termico, senza un significativo raffreddamento di ciò che la misurazione per ridurre la temperatura del rumore termico) e tutte le cifre al di sotto del 9 ° sarebbero rumorose.
• Gli ADC di solito hanno un intervallo di 5 V e anche con un ADC a 24 bit, avrai circa 60 nV per bit che limita la risoluzione delle ultime cifre.
• Su misuratori a 6,5 ​​cifre che vengono comunemente utilizzati, per la maggior parte delle misurazioni in un normale laboratorio hanno rumore nella gamma uV. E le ultime cifre sono generalmente rumorose su un misuratore da 6,5 ​​cifre. Un'altra cifra potrebbe essere utile per alcune applicazioni, altre 3 sarebbero frivole.

Anche i misuratori di nanovolt non hanno 9 ¹ ⁄ ₂ cifre.

Per la maggior parte delle misurazioni saranno sufficienti 6 (circa) cifre perché è necessario prestare molta attenzione per ridurre il rumore di fondo al di sotto di 1 μV.

Ecco una bella scala che illustra anche il punto:

Fonte: comprensione e applicazione dei riferimenti di tensione

È difficile ottenere guadagni maggiori di 140 dB con un sottosistema analogico e su questo punto anche la risoluzione è limitata. Guadagnare non aiuta a causa del rumore inerente a tutta l'elettronica analogica, si aumenta il segnale, si aumenta anche il rumore.

I dipartimenti di marketing possono chiedere più cifre, ma non aiuterà gli ingegneri.

Mettendo da parte le sfide di elaborazione del segnale, esaminiamo alcuni livelli di rumore.

Una resistenza da 62 ohm produce un rumore RMS di 1 nanovolt / rtHz a 290 Kelvin e ignora vari contributori di difetti di cristallo, alcuni dei quali sono dipendenti dal livello di corrente e possono potenziare tale nanovolt per ordini di grandezza.

Quindi abbiamo un rumore di fondo casuale da 1 nanovolt, in un intervallo di fondo scala di 1 volt in ingresso. Se si limita la larghezza di banda del rumore effettivo a 1 ciclo al secondo.

Questo ci dà 9 cifre decimali o 30 bit (o con segno, 31 bit).

Quanta potenza del segnale in ingresso dobbiamo avere?

Usando V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) per un filtro a condensatore commutato, apprendiamo un condensatore da 10 pF a 290 gradi Kelvin produrrà un rumore casuale di 20 microvolt RMS. Questo rumore proviene dall'INTERRUTTORE (ad es. Un FET, quando il FET si è spento).

Dobbiamo ridurre il rumore di fondo di un fattore di 20.000.

Ciò richiede un condensatore di dimensioni 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF.

O 4 millifarads.

Quale energia del sensore richiede?

Potenza = frequenza * capacità * tensione ^ 2

Potenza sensore = 1 * 0,004 farad * 1 volt ^ 2

Potenza del sensore = 0,004 watt

Quali sensori producono 4 milliwatt? Una cartuccia phono a bobina mobile con 10 ohm (resistenza della bobina) può produrre 200 microVolt RMS; usando Power = Vrms ^ 2 / Resistance, troviamo Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; quindi non dovremmo aspettarci musica a 30 bit dai dischi in vinile, anche per i toni fortemente filtrati.

Ora, per divertirti, indovina qual è la larghezza di banda del rumore effettivo di 62 ohm e 0.004 Farads? L'angolo di -3 dB è di circa 4 radianti al secondo. Integrando da DC all'infinito, ottieni 6,28 radianti al secondo.

Non è divertente la natura?

A parte la questione del bisogno e dell'accuratezza di ciò che ho capito, ci sono altre due questioni: perdite e rumore.

Se si passa a tensioni elevate (ad esempio, misurando 100 volt a 9,5 cifre) si verificano problemi di dispersione: la tensione fa fluire piccole correnti tra molti punti diversi (ad esempio, tra i cavi dei terminali positivo e negativo in un cavo coassiale, all'interno gli interruttori del misuratore, ecc.), il che rende l'ultima cifra non molto utile rispetto a un misuratore da 8,5 cifre già disponibile.

Ma quando si va a tensioni più basse, diciamo 1 volt, si verificano problemi di rumore e offset termico. L'ultima cifra su 1 volt sarebbe 1 nanovolt. Data l'impedenza di ingresso desiderata (poiché anche il carico più piccolo avrà effetto a 9,5 cifre), sono necessari tempi di misurazione incredibilmente lunghi per eliminare il rumore termico. A quel punto, il rumore 1 / f entra davvero nell'immagine e rende tutto ancora peggio. E come se non bastasse: le tensioni termiche (tensione generata tra due metalli quando vi è un gradiente di temperatura) possono essere nell'ordine dei microvolt!

Quindi tutte queste cose richiedono un controllo incredibile per aggirare, al di là di ciò che è realisticamente possibile in un laboratorio (In effetti, per ottenere le prestazioni reali da un misuratore da 6,5 ​​cifre alle gamme inferiori è già necessario prendere cose come EMF termico e perdite in considerazione), a meno che non si stia eseguendo una calibrazione estrema. E in quei casi, i laboratori di riferimento assoluto useranno solitamente riferimenti personalizzati basati sulla giunzione Josephson, in cui le temperature criogeniche e la fisica quantistica vengono utilizzate per trasformare una misurazione del tempo (frequenza, in realtà) in una misurazione della tensione. Questi possono costare molte centinaia di migliaia di dollari e richiedono molta esperienza per funzionare.

Probabilmente ce n'è bisogno, ma non un grande bisogno. Non molte persone hanno bisogno di tanta precisione, solo alcune aziende di fascia alta che probabilmente realizzano macchine che hanno anche tanta precisione (per le parti che devono essere misurate con un DMM da 9,5 cifre). Tuttavia, posso immaginare che ci sia un 'bisogno', o almeno un desiderio.

Il motivo per cui non ce ne sono, è che probabilmente è molto costoso realizzarne uno con quella precisione; se è possibile, è troppo costoso e nessuno lo acquisterà.

Un'analogia è una nota società stepper di wafer che produce macchine con precisione nm. Queste macchine dipendono fortemente dalla qualità delle lenti ottiche. Ci sono pochissime aziende al mondo in grado di realizzare buoni obiettivi e questa società stepper di wafer vorrebbe avere obiettivi migliori, ma solo a costo di poterli recuperare dai clienti.

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

Un problema con i multimetri a 8,5 cifre e le misurazioni a quel livello è che devi fare i conti con potenziali termici e potenziali di contatto, che compromettono gravemente la tua precisione. Inoltre, entrambi gli effetti dipendono solitamente dalla temperatura, il che peggiora la precisione, a meno che non si abbia una buona stabilità termica della configurazione del test. Se avessi un multimetro da 9,5 cifre, dovresti avere un controllo ancora migliore sull'ambiente di misurazione.

Se davvero, hai davvero bisogno di un multimetro da 9,5 cifre, l'attuale tecnologia ADC non è sufficiente. Suppongo che potresti creare una trappola crudele Penning a tale scopo. Dovrebbe essere costruito su misura, costare alcune centinaia di migliaia di dollari e uno o due dottorandi. Ma si può fare! La calibrazione sarebbe la parte più complicata, ma può essere eseguita su un array di giunzione Josephson (standard primario).