Neden 9,5 haneli veya daha yüksek multimetre yok?

Neden 9 satın alamıyorsunuz ¹ ⁄ ₂ basamaklı bir multimetre alamıyorsunuz?

Buna ihtiyaç yok mu? Bir 8 mi ¹ / ₂ -digit multimetre satın alabilirsiniz birlikte en yüksek kalitedeki? Keysight, Keithley ve Fluke'u denedim, ancak 8 ¹ ⁄ ₂ basamaktan daha yüksek bir şey yok .

Dört neden:

• Çünkü modern sayaçların otomatik çalışma işlevi vardır.
• Analog sistemin dinamik aralığı 9 ¹ ⁄ ₂ basamağı desteklemediğinden , 1 V aralığı ile gürültü tabanı nanovoltlarda olacaktır (termal gürültü nedeniyle nanovolttan daha düşük olamazsınız, önemli bir soğutma olmadan termal gürültü sıcaklığını azaltmak için ölçümünüz) ve 9'un altındaki tüm basamaklar gürültülü olacaktır.
• ADC'ler genellikle 5 V aralığına sahiptir ve 24 bitlik bir ADC ile bile, bit başına yaklaşık 60 nV'ye sahip olacaksınız, bu da son basamakların çözünürlüğünü kısıtlar.
• Yaygın olarak kullanılan 6,5 basamaklı bir metrede, normal bir laboratuvar çevresindeki çoğu ölçüm için uV aralığında gürültü vardır. Son rakamlar 6,5 haneli bir metrede genellikle gürültülüdür. Bazı uygulamalar için bir rakam daha hoş olabilir, 3 rakam daha anlamsız olur.

Nanovolt metre bile 9 ¹ ⁄ ₂ içermez basamağı yoktur.

Çoğu ölçüm için 6 (ya da öylesine) basamak yeterli olacaktır, çünkü gürültü tabanını 1 μV'nin altına indirmek için büyük özen gösterilmelidir.

İşte noktayı da gösteren harika bir ölçek:

Kaynak: Gerilim Referanslarını Anlama ve Uygulama

Analog bir alt sistemle 140dB'den daha büyük kazançlar elde etmek zordur ve bu noktada çözünürlükle de sınırlıdır. Kazanmak, tüm analog elektroniklerin doğasında bulunan gürültü nedeniyle yardımcı olmaz, sinyali alırsınız, aynı zamanda gürültüyü de kazanırsınız.

Pazarlama departmanları daha fazla rakam isteyebilir, ancak mühendislere yardımcı olmaz.

Sinyal işleme zorluklarını bir kenara bırakarak, bazı gürültü zeminlerini inceleyelim.

62 ohm'luk bir direnç 290 Kelvin'de 1 nanovolt / rtHz RMS gürültüsü üretir ve bazıları akım seviyesine bağlı olan ve bu nanovolt'u büyüklük derecelerine göre artırabilen çeşitli kristal kusurlu katılımcıları yok sayar.

Bu yüzden 1 voltluk tam ölçekli bir aralıkta 1 nanovolt rastgele gürültü zemine sahibiz. Etkili gürültü bant genişliğini saniyede 1 döngü ile sınırlarsanız.

Bu bize 9 ondalık basamak veya 30 bit (veya işaretli, 31 bit) verir.

Ne kadar giriş sinyal gücümüz olmalı?

Anahtarlamalı kapasitör filtresi için V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) kullanarak, 290 derecelik bir 10 pF kapasitörü Kelvin'in 20 mikro volt RMS rasgele gürültü üreteceğini öğreniriz. Bu gürültü geliyor ANAHTARI (FET kapalı olarak, örneğin bir FET).

Gürültü tabanını 20.000 kat azaltmamız gerekiyor.

Bu, 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF boyutlarında bir kapasitör gerektirir.

Veya 4 milifarad.

Bu hangi sensör enerjisini gerektirir?

Güç = frekans * kapasite * voltaj ^ 2

Sensör gücü = 1 * 0.004 farad * 1 volt ^ 2

Sensör gücü = 0.004 watt

Hangi sensörler 4 miliwatt üretiyor? 10 ohm (bobin direnci) olan hareketli bir bobin fono kartuşu 200 mikroVoltsRMS çıkışı üretebilir; Güç = Vrms ^ 2 / Direnç kullanarak, Güç = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts buluyoruz; bu nedenle ciddi şekilde filtrelenmiş tonlar için bile vinil kayıtlardan 30 bit müzik beklememeliyiz.

Şimdi, eğlence için, 62 ohm ve 0.004 Farads'ın etkili gürültü bant genişliği nedir? -3dB köşesi saniyede yaklaşık 4 radyan. DC'den sonsuza entegre olarak saniyede 6,28 radyan elde edersiniz.

Doğa eğlenceli değil mi?

Anladığım kadarıyla ihtiyaç ve doğruluk meselesinin yanı sıra, iki sorun daha var: Sızıntı ve gürültü.

Yüksek voltajlara (örneğin, 100 volt ila 9,5 haneye kadar) giderseniz, sızıntı sorunlarıyla karşılaşırsınız: voltaj, çok sayıda farklı nokta arasında (örneğin, bir koaksiyel kablodaki pozitif ve negatif terminal kabloları arasında, sayacın anahtarları, vb.), son basamağınız zaten 8,5 basamaklı bir metre ile karşılaştırıldığında bu kadar kullanışlı değil.

Ancak, 1 volt gibi düşük voltajlara gittiğinizde, gürültü ve termal ofset sorunlarıyla karşılaşırsınız. 1 volt üzerindeki son rakam 1 nanovolt olacaktır. İstediğiniz giriş empedansı göz önüne alındığında (en küçük yükleme bile 9,5 basamakta etkili olacağından), termal gürültüden kurtulmak için inanılmaz derecede uzun ölçüm sürelerine ihtiyacınız vardır. Bu noktada, 1 / f gürültü gerçekten resme girer ve her şeyi daha da kötüleştirir. Ve yeterli değilse bile: termal voltajlar (aralarında bir sıcaklık gradyanı olduğunda iki metal arasında üretilen voltaj) mikrovoltlar sırasına göre olabilir!

Bu nedenle, tüm bunlar, bir laboratuvarda gerçekçi olarak mümkün olanın ötesinde dolaşmak için inanılmaz bir kontrol gerektirir (Aslında, daha düşük aralıklarda 6,5 ​​haneli bir metreden gerçek performansı elde etmek için zaten termal EMF ve sızıntı gibi şeyleri almanız gerekir. aşırı kalibrasyon yapmıyorsanız). Ve bu durumlarda, mutlak referans laboratuarları genellikle zaman ölçüsünü (gerçekten frekans) voltaj ölçümüne dönüştürmek için kriyojenik sıcaklıkların ve kuantum-fiziğin kullanıldığı özel Josephson-bağlantı tabanlı referansları kullanır. Bunlar binlerce dolara mal olabilir ve çalışmak için çok fazla uzmanlık gerektirir.

Muhtemelen, buna ihtiyaç var, ama büyük bir ihtiyaç değil. Çoğu insanın bu kadar hassaslığa ihtiyacı yoktur, sadece muhtemelen bu kadar hassaslığa sahip makineler yapan bazı üst düzey şirketler (9.5 haneli DMM ile ölçülmesi gereken parçalar için). Ancak bunun için bir 'ihtiyaç' ya da en azından bir dilek olduğunu hayal edebiliyorum.

Hiçbirinin olmamasının nedeni, muhtemelen bu doğrulukla bir tane yapmanın çok pahalı olmasıdır; eğer mümkünse, çok maliyetlidir ve kimse satın almayacaktır.

Bir benzetme, nm doğruluğu üzerine makineler yapan iyi bilinen bir gofret step şirketidir. Bu makineler büyük ölçüde optik lenslerin kalitesine bağlıdır. Bu dünyada iyi lensler üretebilen çok az şirket var ve bu gofret step şirketi daha iyi lenslere sahip olmak istiyor, ancak sadece müşterilerden geri alabilecekleri maliyetle.

Daha önce üzerinde çalıştığım bir projede, Penning tuzak deneyleri için hassas voltaj kaynakları oluşturduk, test ettik ve kullandık . İhtiyacımız vardı$100\,\text{V}$ alt kaynaklarda kararlı (yani kesin, doğru değil)$\mu\text{V}$ Aralık.

8.5 basamaklı multimetrelerle ve bu seviyedeki ölçümlerle ilgili bir sorun, doğruluğunuzu ciddi ölçüde düşüren termal potansiyeller ve temas potansiyelleri ile uğraşmanız gerektiğidir. Ayrıca, test kurulumunda iyi bir termal kararlılığa sahip olmadığınız sürece, her iki etki de genellikle sıcaklığa bağlıdır. 9.5 haneli bir multimetreniz varsa, ölçüm ortamı üzerinde daha iyi kontrol sahibi olmanız gerekir.

Gerçekten 9,5 haneli bir multimetreye ihtiyacınız varsa, mevcut ADC teknolojisi yeterli değildir. Sanırım bu amaçla kriyojenik Penning tuzağı kurabilirsin. Özel olarak inşa edilmesi, birkaç yüz bin dolara ve bir ila iki doktora öğrencisine mal olması gerekiyordu. Ama yapılabilir! Kalibrasyon en zor kısım olacaktır, ancak bir Josephson kavşak dizisine (birincil standart) karşı yapılabilir.