Warum gibt es kein 9,5-stelliges Multimeter oder höher?

Warum können Sie kein 9 ¹ ⁄ _2- stelliges Multimeter kaufen ?

Gibt es keine Notwendigkeit dafür? Ist ein 8 ¹ ⁄ _2- stelliges Multimeter das neueste High-End-Gerät, das Sie kaufen können? Ich habe Keysight, Keithley und Fluke ausprobiert, aber es gibt nichts Höheres als 8 ¹ ⁄ ₂ Stellen.

Vier Gründe:

• Denn moderne Zähler haben eine Autoranging-Funktion.
• Da der Dynamikbereich des analogen Systems 9 ¹ ⁄ ₂ Ziffern nicht unterstützt , würde bei einem Bereich von 1 V das Grundrauschen in Nanovolt liegen (Sie können wegen des thermischen Rauschens nicht niedriger als Nanovolt sein, ohne dass eine signifikante Abkühlung von wem erfolgt) Wenn Sie messen, um die Temperatur des thermischen Rauschens zu verringern, sind alle Ziffern unter dem 9. Wert verrauscht.
• ADCs haben normalerweise einen Bereich von 5 V, und selbst mit einem 24-Bit-ADC haben Sie ungefähr 60 nV pro Bit, was die Auflösung der letzten Stellen einschränkt.
• Auf einem 6,5-stelligen Messgerät, das üblicherweise verwendet wird, treten bei den meisten Messungen in einem normalen Labor Störungen im UV-Bereich auf. Und die letzten Ziffern eines 6,5-stelligen Messgeräts sind normalerweise laut. Eine weitere Ziffer könnte für einige Anwendungen nützlich sein, drei weitere Ziffern wären leichtsinnig.

Selbst Nanovolt-Messgeräte haben keine 9 ¹ ⁄ ₂ Ziffern.

Für die meisten Messungen reichen 6 (oder so) Ziffern aus, da sehr darauf geachtet werden muss, das Grundrauschen unter 1 μV zu senken.

Hier ist eine coole Skala, die auch den Punkt veranschaulicht:

Quelle: Verstehen und Anwenden von Spannungsreferenzen

Es ist schwierig, mit einem analogen Subsystem Gewinne von mehr als 140 dB zu erzielen, und darüber hinaus ist die Auflösung begrenzt. Verstärken hilft nicht, weil alle analogen Elektronikgeräte ein Rauschen aufweisen. Sie verstärken das Signal und verstärken auch das Rauschen.

Die Marketingabteilungen können nach mehr Ziffern fragen, aber es wird den Ingenieuren nicht helfen.

Lassen Sie uns, abgesehen von den Herausforderungen bei der Signalverarbeitung, einige Grundrauschen untersuchen.

Ein 62-Ohm-Widerstand erzeugt ein Rauschen von 1 Nanovolt / RtHz RMS bei 290 Kelvin und ignoriert verschiedene Beiträge zu Kristallfehlern, von denen einige vom Strompegel abhängen und diesen Nanovolt möglicherweise um Größenordnungen steigern.

Wir haben also ein zufälliges Grundrauschen von 1 Nanovolt in einem Eingangsspannungsbereich von 1 Volt. Wenn Sie die effektive Rauschbandbreite auf 1 Zyklus pro Sekunde beschränken.

Dies ergibt 9 Dezimalstellen oder 30 Bit (oder mit Vorzeichen 31 Bit).

Wie viel Eingangssignalleistung müssen wir haben?

Mit V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) für ein Filter mit geschaltetem Kondensator lernen wir, dass ein Kondensator mit 10 pF bei 290 Grad Kelvin ein zufälliges Rauschen von 20 Mikrovolt RMS erzeugt. Dieses Rauschen kommt vom SCHALTER (z. B. ein FET, wenn der FET ausgeschaltet ist).

Wir müssen das Grundrauschen um den Faktor 20.000 reduzieren.

Dies erfordert einen Kondensator der Größe 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF.

Oder 4 Millifarad.

Welche Sensor-Energie benötigt das?

Leistung = Frequenz * Kapazität * Spannung ^ 2

Sensorleistung = 1 * 0,004 Farad * 1 Volt ^ 2

Sensorleistung = 0,004 Watt

Welche Sensoren produzieren 4 Milliwatt? Eine Moving-Coil-Phono-Patrone mit 10 Ohm (Widerstand der Spule) kann eine Ausgangsleistung von 200 µV erzeugen. mit Power = Vrms ^ 2 / Resistance finden wir Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; Daher sollten wir auch bei stark gefilterten Tönen keine 30-Bit-Musik von Schallplatten erwarten.

Ratet mal, was ist die effektive Rauschbandbreite von 62 Ohm und 0,004 Farad? Die -3dB-Ecke beträgt ungefähr 4 Radian pro Sekunde. Durch die Integration von Gleichstrom bis unendlich erhalten Sie 6,28 Radianten pro Sekunde.

Macht die Natur keinen Spaß?

Abgesehen von dem, was ich verstehe, was erforderlich und genau ist, gibt es zwei weitere Probleme: Leckage und Lärm.

Bei hohen Spannungen (z. B. 100 Volt bis 9,5 Digits) treten Leckageprobleme auf: Durch die Spannung fließen winzige Ströme zwischen vielen verschiedenen Punkten (z. B. zwischen den positiven und negativen Anschlusskabeln eines Koaxialkabels im Inneren) die Schalter des Zählers usw.), wodurch Ihre letzte Ziffer im Vergleich zu einer bereits vorhandenen 8,5-stelligen Ziffer nicht mehr so ​​nützlich ist.

Wenn Sie jedoch auf niedrigere Spannungen (z. B. 1 Volt) umschalten, treten Probleme mit Rauschen und thermischem Offset auf. Die letzte Ziffer bei 1 Volt wäre 1 Nanovolt. Angesichts der gewünschten Eingangsimpedanz (da sich bereits die geringste Belastung bei 9,5 Stellen auswirkt) benötigen Sie unglaublich lange Messzeiten, um das thermische Rauschen zu beseitigen. An diesem Punkt kommt 1 / f-Rauschen wirklich ins Bild und macht alles noch schlimmer. Und als ob es nicht genug wäre: Wärmespannungen (Spannung, die zwischen zwei Metallen erzeugt wird, wenn sich ein Temperaturgradient darüber befindet) können in der Größenordnung von Mikrovolt liegen!

All diese Dinge erfordern eine unglaubliche Kontrolle, die über das hinausgeht, was in einem Labor realistisch möglich ist. (Um die tatsächliche Leistung eines 6,5-stelligen Messgeräts in den unteren Bereichen zu erzielen, müssen Sie bereits Dinge wie thermische EMF und Leckage messen berücksichtigt), es sei denn, Sie führen eine extreme Kalibrierung durch. In diesen Fällen verwenden die absoluten Referenzlabors normalerweise benutzerdefinierte Referenzen auf der Basis von Josephson-Kontakten, bei denen kryogene Temperaturen und Quantenphysik verwendet werden, um eine Messung der Zeit (Frequenz, wirklich) in eine Messung der Spannung umzuwandeln. Diese können viele Hunderttausende von Dollar kosten und erfordern viel Fachwissen, um zu funktionieren.

Wahrscheinlich gibt es einen Bedarf, aber keinen großen Bedarf. Nicht viele Menschen benötigen so viel Genauigkeit, nur einige High-End-Unternehmen, die wahrscheinlich Maschinen mit so viel Genauigkeit herstellen (für die Teile, die mit einem 9,5-stelligen DMM gemessen werden müssen). Ich kann mir jedoch vorstellen, dass es ein "Bedürfnis" dafür gibt oder zumindest einen Wunsch.

Der Grund, warum es keine gibt, ist, dass es wahrscheinlich sehr teuer ist, eine mit dieser Genauigkeit herzustellen; wenn es überhaupt möglich ist, ist es zu teuer und niemand wird es kaufen.

Eine Analogie ist ein bekanntes Wafer-Stepper-Unternehmen, das Maschinen mit nm-Genauigkeit herstellt. Diese Maschinen sind stark von der Qualität der optischen Linsen abhängig. Es gibt nur sehr wenige Unternehmen auf dieser Welt, die gute Objektive herstellen können, und dieses Wafer-Stepper-Unternehmen hätte gerne bessere Objektive, aber nur zu dem Preis, den sie von den Kunden zurückerhalten können.

In einem früheren Projekt, an dem ich gearbeitet habe, haben wir Präzisionsspannungsquellen für Experimente mit Penningfallen gebaut, getestet und verwendet . Wir brauchten$100\,\text{V}$ stabil (dh genau, nicht genau) in den Teilbereichen$\mu\text{V}$ Angebot.

Ein Problem bei 8,5-stelligen Multimetern und Messungen auf diesem Niveau besteht darin, dass Sie mit thermischen Potentialen und Kontaktpotentialen umgehen müssen, die Ihre Genauigkeit erheblich beeinträchtigen. Außerdem sind beide Effekte normalerweise temperaturabhängig, was Ihre Präzision beeinträchtigt, sofern Sie keine gute thermische Stabilität des Testaufbaus haben. Wenn Sie ein 9,5-stelliges Multimeter hätten, müssten Sie die Messumgebung noch besser kontrollieren können.

Wenn Sie wirklich, wirklich ein 9,5-stelliges Multimeter benötigen, reicht die derzeitige ADC-Technologie nicht aus. Ich nehme an, Sie könnten zu diesem Zweck eine kryogene Penningfalle aufstellen. Es müsste maßgeschneidert sein, ein paar hunderttausend Dollar kosten und ein bis zwei Doktoranden. Aber es kann gemacht werden! Die Kalibrierung wäre der schwierigste Teil, kann jedoch mit einem Josephson-Junction-Array (Primärstandard) durchgeführt werden.