Почему нет мультиметра 9,5 или выше?

Почему вы не можете купить 9 ¹ / ₂ -значный мультиметр?

Разве в этом нет необходимости? Является ли 8 ¹ ⁄ _2- значный мультиметр самым последним высококлассным устройством, которое вы можете купить? Я пробовал Keysight, Keithley и Fluke, но нет ничего выше, чем 8 ¹ × ₂ цифры.

Четыре причины:

• Потому что современные счетчики имеют функцию автоматического выбора диапазона.
• Поскольку динамический диапазон аналоговой системы не будет поддерживать 9 ¹ / ₂ цифры, с диапазоном от 1 V уровня шума будет в нановольте (вы не можете получить ниже нановольт из - за тепловой шум, без существенных охлаждения , что ваши измерения, чтобы уменьшить температуру теплового шума), и все цифры ниже 9-го будут шумными.
• АЦП обычно имеют диапазон 5 В, и даже с 24-разрядным АЦП у вас будет примерно 60 нВ на бит, что ограничивает разрешение последних цифр.
• На 6,5-разрядных счетчиках, которые обычно используются, для большинства измерений в обычной лаборатории есть шум в диапазоне ультрафиолета. И последние цифры обычно шумят на 6,5-значном счетчике. Еще одна цифра может быть полезна для некоторых приложений, еще 3 цифры будут несерьезными.

Даже нановольтметры не имеют 9 ¹ ⁄ ₂ цифр.

Для большинства измерений будет достаточно 6 (или около того) цифр, поскольку необходимо соблюдать большую осторожность, чтобы снизить минимальный уровень шума ниже 1 мкВ.

Вот классная шкала, которая также иллюстрирует это:

Источник: Понимание и применение ссылок на напряжение

С аналоговой подсистемой трудно получить усиление, превышающее 140 дБ, и в этом отношении ваше разрешение также ограничено. Усиление не помогает из-за шума, присущего всей аналоговой электронике, вы усиливаете сигнал, вы также усиливаете шум.

Отделы маркетинга могут попросить больше цифр, но это не поможет инженерам.

Оставляя в стороне проблемы с обработкой сигналов, давайте рассмотрим некоторые уровни шума.

Резистор 62 Ом создает среднеквадратичный шум 1 нВ / рГц при 290 Кельвинах и игнорирует различные вкладчики кристаллических дефектов, некоторые из которых зависят от уровня тока и могут увеличить этот нановольт на несколько порядков.

Таким образом, мы имеем минимальный уровень случайного шума в 1 нВ в диапазоне входных значений в 1 вольт. Если вы ограничите эффективную полосу шума до 1 цикла в секунду.

Это дает нам 9 десятичных цифр или 30 бит (или со знаком, 31 бит).

Какую мощность входного сигнала мы должны иметь?

Используя V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) для фильтра с переключаемыми конденсаторами, мы узнаем, что конденсатор 10 пФ при 290 градусах Кельвина будет генерировать случайный шум 20 микровольт RMS. Этот шум исходит от переключателя (например, FET, когда FET выключен).

Нам необходимо снизить минимальный уровень шума в 20 000 раз.

Для этого требуется конденсатор размером 10 пФ * 20000 * 20000 = 4000 * 1000 * 1000 пФ.

Или 4 миллифарада.

Какая энергия датчика требуется для этого?

Мощность = частота * емкость * напряжение ^ 2

Мощность датчика = 1 * 0,004 фарад * 1 вольт ^ 2

Мощность датчика = 0,004 Вт

Какие датчики вырабатывают 4 милливатта? Фоно-картридж с подвижной катушкой с сопротивлением 10 Ом (сопротивление катушки) может выдавать выходную мощность 200 мкВ; используя Power = Vrms ^ 2 / Resistance, мы находим Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 нановатт; таким образом, мы не должны ожидать 30-битную музыку от виниловых пластинок, даже для сильно отфильтрованных тонов.

А теперь, ради интереса, угадайте, какая эффективная ширина полосы пропускания составляет 62 Ом и 0,004 Фарада? Угол -3 дБ составляет около 4 радиан в секунду. Интегрируясь от постоянного тока до бесконечности, вы получаете 6,28 радиана в секунду.

Разве природа не веселая?

Помимо необходимости и точности из того, что я понимаю, есть еще две проблемы: утечка и шум.

Если вы переходите к высоким напряжениям (например, измеряя от 100 вольт до 9,5 цифр), вы сталкиваетесь с проблемами утечки: напряжение вызывает крошечные токи, протекающие между множеством различных точек (например, между кабелями положительного и отрицательного клемм в коаксиальном кабеле внутри переключатели измерителя и т. д.), что делает вашу последнюю цифру не такой уж полезной по сравнению с уже имеющимся 8,5-значным счетчиком.

Но когда вы понижаете напряжение, скажем, на 1 вольт, вы сталкиваетесь с проблемами шума и теплового смещения. Последняя цифра на 1 вольт будет 1 нановольт. При желаемом входном импедансе (так как даже самая маленькая нагрузка будет иметь эффект при 9,5 разрядах), вам потребуется невероятно большое время измерения, чтобы избавиться от теплового шума. В этот момент шум 1 / f действительно входит в картину и делает все еще хуже. И как будто этого было недостаточно: тепловые напряжения (напряжение, создаваемое между двумя металлами при наличии градиента температуры на них) могут быть порядка микровольт!

Таким образом, все эти вещи требуют невероятного контроля, чтобы обойти, помимо того, что реально возможно в лаборатории (На самом деле, чтобы получить истинную производительность от 6,5-разрядного измерителя на более низких диапазонах, вам уже нужно принимать такие вещи, как тепловая ЭДС и утечка во внимание), если вы не делаете экстремальную калибровку. И в этих случаях в абсолютных эталонных лабораториях обычно используются нестандартные эталоны на основе джозефсоновских контактов, где криогенные температуры и квантовая физика используются для преобразования измерения времени (частоты, действительно) в измерение напряжения. Это может стоить много сотен тысяч долларов и требовать большого опыта для работы.

Возможно, в этом есть необходимость, но не большая потребность. Не так много людей нуждаются в такой точности, только некоторые высококлассные компании, которые, вероятно, производят машины, обладающие такой же точностью (для деталей, которые должны измеряться с помощью 9,5-значного цифрового мультиметра). Однако я могу представить, что в этом есть «потребность» или, по крайней мере, желание.

Причина, по которой их нет, состоит в том, что, вероятно, очень дорого делать такой с такой точностью; если это вообще возможно, это слишком дорого, и никто его не купит.

Аналогия - хорошо известная компания по производству вафельных степперов, которая производит станки с точностью до нм. Эти машины сильно зависят от качества оптических линз. В этом мире очень мало компаний, которые могут делать хорошие линзы, и эта компания, занимающаяся пошаговым изготовлением вафельных пластин, хотела бы иметь лучшие линзы, но только за счет того, что они могут заработать их у клиентов.

В предыдущем проекте, над которым я работал, мы строили, тестировали и использовали точные источники напряжения для экспериментов с ловушкой Пеннинга . Нам нужно$100\,\text{V}$ источники должны быть стабильными (то есть точными, не точными) в$\mu\text{V}$ ассортимент.

Одна проблема с 8,5-разрядными мультиметрами и измерениями на этом уровне заключается в том, что вам приходится иметь дело с тепловыми потенциалами и контактными потенциалами, которые серьезно ухудшают вашу точность. Кроме того, оба эффекта обычно зависят от температуры, что снижает вашу точность, если только вы не обладаете хорошей термической стабильностью тестовой установки. Если бы у вас был мультиметр из 9,5 цифр, вам нужно было бы еще лучше контролировать среду измерения.

Если вам действительно нужен 9,5-значный мультиметр, то нынешней технологии АЦП недостаточно. Я полагаю, вы могли бы установить криогенную ловушку Пеннинга для этой цели. Он должен был быть изготовлен на заказ, стоить несколько сотен тысяч долларов и от одного до двух аспирантов. Но это может быть сделано! Калибровка была бы самой сложной частью, но ее можно выполнить с помощью массива джозефсоновских контактов (основной стандарт).