¿Por qué no hay un multímetro de 9.5 dígitos o más?

Question

¿Por qué no puedes comprar un multímetro de 9 ¹ ⁄ ₂ dígitos?

¿No hay necesidad de ello? ¿Es un multímetro de 8 ¹ ⁄ ₂ dígitos la última gama alta que puede comprar? He probado Keysight, Keithley y Fluke, pero no hay nada más alto que 8 ¹ ⁄ ₂ dígitos.

Answer 1

Cuatro razones:

• Porque modernos medidores tienen una función de escala automática.
• Debido a que el rango dinámico del sistema analógico no apoyaría 9¹⁄₂ dígitos, con un rango de 1 V el piso de ruido sería en el nanovolts (usted no puede obtener inferior nanovolts porque de ruido térmico, sin un significativo enfriamiento de lo que su medición para reducir el ruido térmico de la temperatura), y todos los dígitos por debajo de los 9 sería ruidoso.
• Los adc tienen generalmente un 5 V gama, e incluso con un ADC de 24 bits, tendrás que aproximadamente el 60 nV por poco que restringe la resolución de los últimos dígitos.
• En un 6.5 dígitos metros que son de uso común, para la mayoría de las mediciones en torno a un laboratorio normales han de ruido en el rango uV. Y los últimos dígitos son comúnmente ruido en un 6.5 dígitos del medidor. Un dígito más podría ser bueno para algunas aplicaciones, 3 más dígitos sería frívolo.

Incluso nanovolt metros no tiene 9¹⁄₂ dígitos.

Para la mayoría de las mediciones de 6 (o así) dígitos será suficiente porque el gran cuidado debe ser tomado para reducir los niveles de ruido por debajo de 1 µV.

Aquí es un fresco de la escala que también ilustra el punto:

Fuente: la Comprensión y Aplicación de las Referencias de Tensión

Es difícil obtener ganancias de más de 140 db con un subsistema analógico, y sobre ese punto también limitado en la resolución. Ganando no ayuda a la causa del ruido inherente en todos los componentes electrónicos analógicos, que la ganancia de la señal, también se obtiene el ruido.

Los departamentos de marketing pueden pedir más dígitos, pero no va a ayudar a los ingenieros.

Answer 2

Dejando de lado el procesamiento de señal retos, vamos a examinar algunos de ruido de los pisos.

Un 62 ohmios produce 1 nanovolt/rtHz RMS de ruido a 290 grados Kelvin, y haciendo caso omiso de varios cristales-defecto de colaboradores, algunos de los cuales son de corriente depende de su nivel y puede impulsar que nanovolt por órdenes de magnitud.

Así que tenemos un 1 nanovolt ruido aleatorio piso, en un 1 voltaje de entrada rango de escala completa. Si se restringe la eficacia de ruido de ancho de banda a 1 ciclo por segundo.

Esto nos da 9 dígitos decimales, o de 30 bits (o con signo, de 31 bits).

Cuánto de la señal de entrada de alimentación debemos tener?

El uso de V_{noise_cap} = sqrt(K * T / C), nos enteramos de un condensador de 10 pF a 290 grados Kelvin va a producir el 20 microvoltios RMS de ruido aleatorio.

Necesitamos reducir el ruido de fondo por un factor de más de 20.000.

Esto requiere un condensador de tamaño de 10 pF * 20,000 * 20,000 = 4,000 * 1,000 * 1,000 pF.

O 4 millifarads.

Lo del sensor de la energía hace que esta requieren?

Potencia = frecuencia * capacitancia * voltaje^2

Sensor de potencia = 1 * 0.004 faradio * 1 v^2

Sensor de potencia = 0.004 vatios

Lo de los sensores de producir 4 milivatios?

Ahora, para la diversión, supongo que lo que es la efectiva de ruido de ancho de banda de 62 ohmios y 0.004 Faradios? El 3dB de la esquina es de alrededor de 4 radianes por segundo. La integración de DC hasta el infinito, se obtiene 6.28 radianes por segundo.

No es la diversión de la naturaleza?

Answer 3

Aparte de la cuestión de la necesidad y precisión de lo que yo entiendo, hay otras dos cuestiones: la Fuga y el ruido.

Si usted va a altos voltajes (por ejemplo, la medición de 100 voltios a 9.5 dígitos) se ejecuta en la fuga de problemas: la tensión hace que los pequeños corrientes que fluyen entre un montón de diferentes puntos (por ejemplo, entre el positivo y el negativo de la terminal de los cables en un cable coaxial, dentro de los interruptores de la metro, etc), lo que hace que su último dígito no que útil en comparación con un 8.5 dígitos medidor ya está ahí.

Pero cuando vaya a tensiones más bajas, digamos de 1 voltio, se ejecuta en el ruido térmico y el desplazamiento de los problemas. El último dígito de 1 volt sería de 1 nanovolt. Dado que la impedancia de entrada que usted desea (ya que incluso el más pequeño de carga tendrá efecto en el 9,5 dígitos), usted necesita increíblemente largo de la medición veces para deshacerse de ruido térmico. En ese punto, ruido 1/f, realmente, entra en la imagen y hace que todo sea aún peor. Y como si esto no era suficiente: las tensiones (voltaje generado entre dos metales cuando hay un gradiente de temperatura a través de ellos) puede estar en el orden de microvoltios!

Así que todas estas cosas requieren un control increíble de conseguir alrededor, más allá de lo que es realista posible en un laboratorio (De hecho, para obtener el verdadero rendimiento de un 6.5 dígitos del medidor en la parte inferior de los rangos que ya necesita tomar las cosas como FEM térmica y fuga en cuenta), a menos que usted está haciendo extrema de calibración. Y en esos casos, la referencia absoluta de los laboratorios se utilizan generalmente personalizado Josephson-cruce de base de referencias, donde las temperaturas criogénicas cuántica y la física se utiliza para activar una medición de tiempo (frecuencia, en realidad) en una medición de voltaje. Estos pueden costar muchos hunderds de miles de dólares y requieren una gran cantidad de conocimientos técnicos para operar.

Answer 4

En un proyecto anterior he trabajado, hemos construido, probado y utilizado de voltaje de precisión de las fuentes de Escribir trampa de experimentos. Necesitábamos \$100\,\text{V}\$ fuentes estables (es decir, precisa, no es exacta) en la sub-\$\mu\text{V}\$ gama.

Uno de los problemas de 8.5 dígitos multímetros y mediciones en ese nivel es que usted tiene que tratar con térmicas de los potenciales de contacto y potenciales, que severamente degradar su exactitud. También, ambos efectos son generalmente dependientes de la temperatura, que disminuye su precisión, a menos que usted tiene una buena estabilidad térmica de la configuración de prueba. Si usted tuvo un 9.5 dígitos multímetro, tendría incluso un mejor control sobre el entorno de medición.

Si usted realmente, realmente necesita un 9.5 dígitos multímetro, actual tecnología ADC no es suficiente. Supongo que se podría configurar criogénico trampa de Penning para ese propósito. Tendría que ser hecha a la medida, el costo de un par de cientos de miles de dólares y de uno a dos estudiantes de Doctorado. Pero se puede hacer! Calibración sería el más complicado, pero se puede hacer en contra de una red de uniones Josephson array (estándar primario).

Answer 5

Probablemente, no hay necesidad de ello, pero no es una gran necesidad. No muchas personas necesitan que mucha precisión, sólo algunos de alta final, las empresas que hacen probablemente máquinas de tener también que mucha precisión (para las partes que necesitan ser medidos con un 9.5 dígitos DMM). Sin embargo, puedo imaginar que hay una "necesidad" para él, o, al menos, un deseo.

La razón por la que no hay ninguno, es que es probablemente muy costoso hacer uno con esa exactitud; si es posible del todo, es demasiado costoso y nadie lo va a comprar.

Una analogía es un conocido de la oblea paso a paso de la empresa que hace las máquinas en nm precisión. Estas máquinas están fuertemente dependiendo de la calidad de los lentes ópticos. Hay muy pocas compañías en el mundo que puede hacer buenas lentes, y este paso a paso de la oblea de la empresa gustaría tener mejores lentes, pero justo en el costo que se puede ganar la espalda de los clientes.