Mengapa tidak ada multimeter 9,5 digit atau lebih tinggi?

Mengapa Anda tidak dapat membeli multimeter 9 ¹ ⁄ _2- digit?

Apakah tidak perlu? Apakah multimeter 8 ¹ ⁄ _2- digit merupakan high end terbaru yang dapat Anda beli? Saya telah mencoba Keysight, Keithley, dan Fluke, tetapi tidak ada yang lebih tinggi dari 8 ¹ ⁄ ₂ digit.

Empat alasan:

• Karena meter modern memiliki fungsi autoranging.
• Karena rentang dinamis dari sistem analog tidak akan mendukung 9 ¹ ⁄ ₂ digit, dengan kisaran 1 V, lantai derau akan berada dalam nanovolt (Anda tidak bisa mendapatkan lebih rendah dari nanovolt karena derau termal, tanpa pendinginan signifikan dari apa pengukuran Anda untuk mengurangi suhu derau termal), dan semua angka di bawah angka 9 akan berisik.
• ADC biasanya memiliki rentang 5 V, dan bahkan dengan ADC 24-bit, Anda akan memiliki sekitar 60 nV per bit yang membatasi resolusi digit terakhir.
• Pada 6,5 ​​digit meter yang biasa digunakan, untuk sebagian besar pengukuran di sekitar lab normal memiliki noise dalam kisaran uV. Dan digit terakhir biasanya berisik pada angka 6,5 ​​digit. Satu digit lagi mungkin bagus untuk beberapa aplikasi, 3 digit lainnya akan menjadi sembrono.

Bahkan nanovolt meter tidak memiliki 9 ¹ ⁄ ₂ digit.

Untuk sebagian besar pengukuran 6 (atau lebih) digit akan cukup karena harus sangat hati-hati untuk menurunkan tingkat kebisingan di bawah 1 μV.

Berikut adalah skala keren yang juga menggambarkan intinya:

Sumber: Memahami dan Menerapkan Referensi Tegangan

Sulit untuk mendapatkan keuntungan yang lebih besar dari 140dB dengan subsistem analog, dan tentang hal itu Anda juga terbatas pada resolusi. Mendapatkan tidak membantu karena kebisingan yang melekat pada semua elektronik analog, Anda mendapatkan sinyal, Anda juga mendapatkan kebisingan.

Departemen pemasaran dapat meminta lebih banyak digit, tetapi itu tidak akan membantu para insinyur.

Mengesampingkan tantangan pemrosesan sinyal, mari kita periksa beberapa lantai kebisingan.

Sebuah resistor 62 ohm menghasilkan 1 nanovolt / rtHz RMS noise pada 290 Kelvin, dan mengabaikan berbagai kontributor kristal-cacat, beberapa di antaranya bergantung pada level saat ini dan dapat meningkatkan nanovolt itu dengan perintah besarnya.

Jadi kami memiliki lantai kebisingan acak 1 nanovolt, dalam rentang skala input penuh 1 volt. Jika Anda membatasi efektif-noise-bandwidth hingga 1 cycle-per-second.

Ini memberi kita 9 angka desimal, atau 30 bit (atau dengan tanda, 31 bit).

Berapa banyak kekuatan sinyal input yang harus kita miliki?

Menggunakan V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) untuk filter kapasitor yang diaktifkan, kita mempelajari kapasitor 10 pF pada 290 derajat Kelvin akan menghasilkan 20 microvolts RMS random noise. Kebisingan ini berasal dari SWITCH (mis. FET, saat FET dimatikan).

Kita perlu mengurangi lantai kebisingan dengan faktor 20.000.

Ini membutuhkan kapasitor ukuran 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF.

Atau 4 milifarad.

Energi sensor apa yang dibutuhkan ini?

Daya = frekuensi * kapasitansi * tegangan ^ 2

Daya sensor = 1 * 0,004 farad * 1 volt ^ 2

Daya sensor = 0,004 watt

Sensor apa yang menghasilkan 4 miliwatt? Kartrid kumparan bergerak-kumparan dengan 10 ohm (resistansi kumparan) dapat menghasilkan output 200 microVoltsRMS; menggunakan Power = Vrms ^ 2 / Resistance, kami menemukan Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; jadi kita seharusnya tidak mengharapkan 30 bit musik dari piringan hitam, bahkan untuk nada yang sangat tersaring.

Sekarang, untuk bersenang-senang, coba tebak berapa bandwidth efektif-noise 62 ohm dan 0,004 Farad? Sudut -3dB adalah sekitar 4 radian per detik. Mengintegrasikan dari DC ke tak terhingga, Anda mendapatkan 6,28 radian per detik.

Bukankah alam itu menyenangkan?

Selain masalah kebutuhan dan akurasi dari apa yang saya mengerti, ada dua masalah lain: Kebocoran dan kebisingan.

Jika Anda pergi ke tegangan tinggi (misalnya, mengukur 100 volt hingga 9,5 digit) Anda mengalami masalah kebocoran: tegangan menyebabkan arus kecil mengalir di antara banyak titik yang berbeda (misalnya, antara kabel terminal positif dan negatif dalam kabel koaksial, di dalam sakelar meter, dll), yang membuat digit terakhir Anda tidak terlalu berguna dibandingkan dengan 8,5 digit meter yang sudah ada.

Tetapi ketika Anda pergi ke tegangan yang lebih rendah, katakanlah 1 volt, Anda mengalami masalah noise dan thermal offset. Digit terakhir pada 1 volt adalah 1 nanovolt. Mengingat impedansi input yang Anda inginkan (karena bahkan pemuatan terkecil akan memiliki efek pada 9,5 digit), Anda perlu waktu pengukuran yang sangat panjang untuk menghilangkan noise termal. Pada saat itu, 1 / f noise benar-benar muncul dan membuat segalanya menjadi lebih buruk. Dan seolah-olah itu bahkan tidak cukup: tegangan termal (tegangan yang dihasilkan antara dua logam ketika ada gradien suhu di atasnya) dapat berada di urutan microvolts!

Jadi semua hal ini membutuhkan kontrol yang luar biasa untuk berkeliling, melampaui apa yang secara realistis mungkin terjadi di laboratorium (Faktanya, untuk mendapatkan kinerja sebenarnya dari meteran 6,5 digit pada rentang yang lebih rendah Anda sudah perlu mengambil hal-hal seperti EMF termal dan kebocoran ke akun), kecuali Anda melakukan kalibrasi ekstrim. Dan dalam kasus-kasus itu, laboratorium referensi absolut biasanya akan menggunakan referensi berbasis persimpangan Josephson khusus, di mana suhu kriogenik dan fisika kuantum digunakan untuk mengubah pengukuran waktu (frekuensi, benar-benar) menjadi pengukuran tegangan. Ini dapat menelan banyak biaya ribuan dolar dan membutuhkan banyak keahlian untuk beroperasi.

Mungkin ada kebutuhan untuk itu, tetapi bukan kebutuhan besar. Tidak banyak orang yang membutuhkan akurasi sebanyak itu, hanya beberapa perusahaan kelas atas yang mungkin membuat mesin yang juga memiliki akurasi sebesar itu (untuk suku cadang yang perlu diukur dengan DMM 9,5 digit). Namun, saya bisa membayangkan ada 'kebutuhan' untuk itu, atau setidaknya keinginan.

Alasan mengapa tidak ada, adalah bahwa itu mungkin sangat mahal untuk membuat satu dengan akurasi itu; jika mungkin sama sekali, itu terlalu mahal dan tidak ada yang akan membelinya.

Sebuah analogi adalah perusahaan stepper wafer terkenal yang membuat mesin pada akurasi nm. Mesin-mesin ini sangat tergantung pada kualitas lensa optik. Ada sangat sedikit perusahaan di dunia ini yang dapat membuat lensa yang bagus, dan perusahaan stepper wafer ini ingin memiliki lensa yang lebih baik, tetapi hanya dengan biaya yang mereka dapat dapatkan kembali dari pelanggan.

Dalam proyek sebelumnya yang saya kerjakan, kami membangun, menguji dan menggunakan sumber tegangan presisi untuk percobaan perangkap Penning . Kami membutuhkan$100\,\text{V}$ sumber menjadi stabil (yaitu tepat, tidak akurat) di sub-$\mu\text{V}$ jarak.

Satu masalah dengan 8,5 digit multimeter dan pengukuran pada level itu adalah Anda harus berurusan dengan potensi termal dan potensi kontak, yang sangat menurunkan akurasi Anda. Selain itu, kedua efek biasanya bergantung pada suhu, yang menurunkan presisi Anda, kecuali jika Anda memiliki stabilitas termal yang baik dari pengaturan pengujian. Jika Anda memiliki multimeter 9,5 digit, Anda harus memiliki kontrol yang lebih baik terhadap lingkungan pengukuran.

Jika Anda benar-benar membutuhkan multimeter 9,5 digit, teknologi ADC saat ini tidak cukup. Saya kira Anda bisa mengatur perangkap Penning kriogenik untuk tujuan itu. Itu harus dibuat khusus, harganya beberapa ratus ribu dolar dan satu hingga dua mahasiswa PhD. Tapi itu bisa dilakukan! Kalibrasi akan menjadi bagian yang paling sulit, tetapi dapat dilakukan terhadap array persimpangan Josephson (standar primer).