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


14

Mengapa Anda tidak dapat membeli multimeter 9 12- digit?

Apakah tidak perlu? Apakah multimeter 8 12- digit merupakan high end terbaru yang dapat Anda beli? Saya telah mencoba Keysight, Keithley, dan Fluke, tetapi tidak ada yang lebih tinggi dari 8 12 digit.


11
Apa tujuanmu?
Chris Stratton

38
Anda membutuhkan 10,5 meter meter untuk mengkalibrasi.
Transistor

11
Apa akurasi sebenarnya dari DMM 8,5 digit itu? Mungkin bukan 1 bagian dari 100 juta ...
Brian Drummond

12
Periksa NIST. Saya pikir Anda akan menemukan bahwa akurasi perangkat Josephson Junction terbaik mereka ada di urutan beberapa bagian dalam . Jadi, secara kasar, sekitar 9,5 digit. Dan itu dalam kondisi optimal. Peralatan yang digunakan untuk menyediakan biaya standar masing-masing sekitar $ 300 ribu dan mungkin akan membutuhkan PhD untuk beroperasi dengan baik. Ada makalah 2018 baru-baru ini pada topik, "Dampak generasi terbaru standar tegangan Josephson dalam metrologi listrik ac dan dc" oleh Rüfenacht, et al. DOI: 10.1088 / 1681-7575 / aad41a. Anda dapat membeli standar voltase 9,5 digit. Bukan multimeter. 1010
Jonk

8
Setiap calon pelanggan harus menjawab sendiri pertanyaan-pertanyaan berikut: Apa yang Anda coba ukur? Mengapa Anda membutuhkan atau menginginkan keakuratan sekitar satu bagian dalam 1.000 juta? Bagaimana Anda mengkalibrasi itu? Berapa anggaran Anda?
Russell McMahon

Jawaban:


29

Empat alasan:

  • Karena meter modern memiliki fungsi autoranging.
  • Karena rentang dinamis dari sistem analog tidak akan mendukung 9 12 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 12 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:

masukkan deskripsi gambar di sini

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.


10
Autoranging dengan relay dapat memainkan malapetaka dengan eksperimen sensitif, jadi di lab fisika tempat saya bekerja biasanya kita mematikannya. Jadi untuk satu percobaan kita membutuhkan multimeter 6,5 digit untuk mendapatkan 3,5 digit di awal dan tidak memenuhi fotodioda di akhir.
Chris H

Anda dapat mengambil sinyal, memfilternya, lalu menguatkannya dengan penguatan 2 atau lebih, dan mengukur tiga digit di sana (kemudian bagi dengan gain Anda untuk pengukuran Anda). Ini biasanya apa yang dilakukan ketika Anda membutuhkan lebih banyak presisi dengan ADC 10-bit (seperti yang Anda temukan pada kebanyakan mikrokontroler) untuk beberapa sen dalam beberapa bagian.
Drunken Code Monkey

2
@DrunkenCodeMonkey Ya, ini bekerja untuk 10-bit, 10bits setara dengan 3,5digits. Tidak ada cara untuk meningkatkan SNR untuk frekuensi yang Anda ukur. Pemfilteran akan mengurangi noise pk-pk secara keseluruhan, tetapi tidak akan melakukan apa pun untuk noise sensor. Jika noise per frekuensi yang diberikan adalah 10nv / Hz pada input maka tidak ada jumlah perolehan atau penyaringan untuk mendapatkan SNR yang lebih baik. Masalah lainnya adalah setiap kali Anda menambahkan filter atau tahap analog, Anda meningkatkan kebisingan .
Voltage Spike

14

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?


11

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.


5

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.


Akurasi overlay stepper Wafer harus di bawah nanometer sekarang, bukan? Entah itu 10 atau 100 pikometer, saya tidak yakin.
The Photon

@ThePhoton Benar memang, overlay (yang merupakan akurasi terkecil untuk menempatkan lapisan dalam 0,5 nm sekarang afaik, mungkin bahkan lebih kecil), namun secara internal untuk beberapa langkah pikometer mungkin digunakan.
Michel Keijzers

Selain itu, jika Anda harus mengukur atau menyandikan nilai-nilai presisi seperti itu dalam mode analog, Anda akan berusaha sangat keras untuk membawanya ke waktu alih-alih domain tegangan ASAP.
rackandboneman

Saya tidak melihat bagaimana perbandingan ini relevan. Penentuan posisi mekanis dapat diukur secara optikal, dan yang Anda perlukan hanyalah offset relatif yang kurang dari 0,1 nm saat melakukan tiga pola. Tapi Anda benar-benar tidak peduli di mana tepatnya pada wafer silikon 300 mm besar Anda akhirnya.
MSalters

1
@MSalters Bukan dari lapisan baru harus di atas lapisan yang ada.
Michel Keijzers

5

Dalam proyek sebelumnya yang saya kerjakan, kami membangun, menguji dan menggunakan sumber tegangan presisi untuk percobaan perangkap Penning . Kami membutuhkan100V sumber menjadi stabil (yaitu tepat, tidak akurat) di sub-μV 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).

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.