ทำไมไม่มีมัลติมิเตอร์ 9.5 หลักขึ้นไป

14

ทำไมคุณไม่สามารถซื้อ 9 ¹ / ₂มัลติมิเตอร์ -digit?

ไม่จำเป็นต้องมีหรือไม่ เป็น 8 ¹ / ₂มัลติมิเตอร์ -digit ล่าสุดปลายสูงคุณสามารถซื้อ? ฉันได้พยายาม Keysight, Keithley และ Fluke แต่มีอะไรที่สูงกว่า 8 ¹ / ₂หลัก

— voltage_drop
แหล่งที่มา

11

เป้าหมายของคุณคืออะไร

— Chris Stratton

38

คุณต้องการ 10.5 เมตรเมตรในการปรับเทียบ

— ทรานซิสเตอร์

11

อะไรคือความแม่นยำที่แท้จริงของ DMM ขนาด 8.5 หลัก อาจไม่ได้มีส่วนร่วม 1 ใน 100 ล้าน ...

— Brian Drummond

12

ตรวจสอบ NIST ฉันคิดว่าคุณจะได้พบกับความถูกต้องของอุปกรณ์ที่ดีที่สุดของพวกเขา Josephson สนธิที่อยู่ในคำสั่งของบางส่วนใน

10

ดังนั้นพูดประมาณ 9.5 หลัก และภายใต้สภาวะที่เหมาะสม อุปกรณ์ที่ใช้ในการจัดทำค่าใช้จ่ายมาตรฐานเช่นประมาณ $ 300k และอาจต้องใช้ปริญญาเอกในการทำงานได้ดี มีรายงานเมื่อปี 2018 ในหัวข้อ "ผลกระทบของมาตรฐานแรงดันไฟฟ้า Josephson รุ่นล่าสุดในมาตรวัดไฟฟ้า ac และ dc" โดยRüfenacht, et al. DOI: 10.1088 / 1681-7575 / aad41a คุณสามารถซื้อมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าที่ 9.5 หลัก ไม่ใช่มัลติมิเตอร์

10^{10}

$10^{10}$

— jonk

8

ลูกค้าที่มีศักยภาพทุกคนต้องตอบคำถามต่อไปนี้ด้วยตนเอง: คุณพยายามวัดอะไร ทำไมคุณต้องการหรือต้องการความแม่นยำประมาณ 1,000 ล้านชิ้น? คุณจะปรับเทียบมันอย่างไร งบประมาณของคุณคืออะไร

— รัสเซลแม็คมาฮอน

29

สี่เหตุผล:

เพราะเมตรที่ทันสมัยมีฟังก์ชั่นการปรับอัตโนมัติ
เพราะช่วงแบบไดนามิกของระบบอนาล็อกจะไม่สนับสนุน 9 ¹ / ₂หลักที่มีช่วงของ 1 V พื้นเสียงจะอยู่ใน nanovolts (คุณไม่สามารถได้รับต่ำกว่า nanovolts เพราะเสียงความร้อนโดยไม่ต้องระบายความร้อนอย่างมีนัยสำคัญของสิ่งที่ การวัดของคุณเพื่อลดอุณหภูมิเสียงรบกวนจากความร้อน) และตัวเลขทั้งหมดที่ต่ำกว่าวันที่ 9 จะมีเสียงดัง
ADC มักจะมีช่วง 5 V และแม้จะมี ADC แบบ 24 บิตคุณจะมีประมาณ 60 nV ต่อบิตซึ่งจะ จำกัด ความละเอียดของตัวเลขสุดท้าย
ใน 6.5 เมตรเมตรที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการวัดส่วนใหญ่รอบ ๆ ห้องปฏิบัติการปกติมีสัญญาณรบกวนในช่วง uV และตัวเลขสุดท้ายมักมีเสียงดังใน 6.5 เมตร ตัวเลขหนึ่งหลักอาจดีสำหรับบางแอปพลิเคชันและอีก 3 หลักจะไม่สำคัญ

แม้ nanovolt เมตรไม่ได้มี 9 ¹ / ₂หลัก

สำหรับการวัดส่วนใหญ่ 6 (หรือมากกว่านั้น) จะเพียงพอเพราะต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่งเพื่อลดระดับเสียงต่ำกว่า 1 μV

นี่คือมาตราส่วนที่ยอดเยี่ยมที่แสดงให้เห็นถึงจุด:

ที่มา: การทำความเข้าใจและการประยุกต์ใช้การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า

เป็นการยากที่จะได้รับผลกำไรที่สูงกว่า 140dB ด้วยระบบย่อยแบบอะนาล็อกและจุดนั้นก็มีข้อ จำกัด เช่นกัน ดึงดูดไม่ได้เพราะเสียงที่มีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อะนาล็อกทั้งหมดคุณได้รับสัญญาณคุณยังได้รับเสียง

แผนกการตลาดสามารถขอตัวเลขเพิ่มเติมได้ แต่จะไม่ช่วยวิศวกร

— แรงดันไฟฟ้า
แหล่งที่มา

10

Autoranging กับ relays สามารถเล่นได้อย่างเสียหายด้วยการทดลองที่ละเอียดอ่อนดังนั้นในแล็บฟิสิกส์ฉันทำงานโดยปกติแล้วเราจะปิดมัน ดังนั้นสำหรับการทดลองหนึ่งครั้งเราจำเป็นต้องใช้มัลติมิเตอร์ 6.5 หลักเพื่อรับ 3.5 หลักในตอนเริ่มต้นและไม่ทำให้โฟโตไดโอดอิ่มตัวในตอนท้าย

— Chris H

คุณสามารถนำสัญญาณของคุณกรองแล้วขยายสัญญาณด้วยอัตราขยาย 2 หรือมากกว่าแล้ววัดสามหลักตรงนั้น (จากนั้นหารด้วยอัตราขยายของคุณสำหรับการวัดของคุณ) นี่คือสิ่งที่จะทำเมื่อคุณต้องการความแม่นยำมากขึ้นด้วย ADC ขนาด 10 บิต (เช่นที่คุณพบในไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่) สำหรับชิ้นส่วนในเซนต์

— Drunken Code Monkey

2

@DrunkenCodeMonkey ใช่มันใช้งานได้ 10 บิต 10 บิตเทียบเท่ากับ 3.5digits ไม่มีวิธีเพิ่ม SNR สำหรับความถี่ที่คุณวัด การกรองจะลดเสียงรบกวน pk-pk โดยรวม แต่จะไม่ทำอะไรเลยสำหรับเสียงเซนเซอร์ หากสัญญาณรบกวนต่อความถี่ที่กำหนดคือ 10nv / Hz ที่อินพุตจะไม่มีการรับหรือการกรองเพื่อให้ได้ SNR ที่ดีขึ้น ปัญหาอื่น ๆ คือทุกครั้งที่คุณเพิ่มตัวกรองหรือเวทีอนาล็อกคุณเพิ่มเสียง

— Spike แรงดัน

14

วางความท้าทายในการประมวลผลสัญญาณไว้ด้วยกันลองตรวจสอบชั้นสัญญาณรบกวน

ตัวต้านทาน 62 โอห์มสร้างเสียงรบกวน 1 นาโนโวลต์ / rtHz RMS ที่ 290 เคลวินและไม่สนใจผู้มีส่วนร่วมในข้อบกพร่องคริสตัลหลายตัวซึ่งบางตัวขึ้นอยู่กับระดับกระแสไฟฟ้า

ดังนั้นเราจึงมีชั้นเสียงสุ่ม 1 นาโนโวลต์ในช่วงเต็มสเกล 1 โวลต์ หากคุณ จำกัด แบนด์วิดธ์เสียงรบกวนที่มีประสิทธิภาพถึง 1 รอบต่อวินาที

สิ่งนี้ทำให้เรามีทศนิยม 9 หลักหรือ 30 บิต (หรือมีเครื่องหมาย 31 บิต)

เราต้องใช้พลังงานสัญญาณอินพุตเท่าใด

การใช้ V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) สำหรับตัวกรองตัวเก็บประจุแบบสวิตช์เราเรียนรู้ตัวเก็บประจุ 10 pF ที่ 290 องศาเคลวินจะสร้างเสียง RMS สุ่ม 20 _{ไมโคร}โวลต์ เสียงนี้มาจากสวิทช์ (เช่น FET เมื่อปิด FET)

เราจำเป็นต้องลดระดับเสียงรบกวนโดยปัจจัย 20,000

สิ่งนี้ต้องการตัวเก็บประจุขนาด 10 pF * 20,000 * 20,000 = 4,000 * 1,000 * 1,000 pF

หรือ 4 มิลลิวินาที

พลังงานเซ็นเซอร์นี้ต้องการอะไร?

พลังงาน = ความถี่ * ความจุ * แรงดันไฟฟ้า ^ 2

กำลังเซนเซอร์ = 1 * 0.004 farad * 1 volt ^ 2

กำลังของเซ็นเซอร์ = 0.004 วัตต์

เซ็นเซอร์ใดผลิต 4 มิลลิวัตต์ โฟโน - คาร์ทริดจ์คาร์ทริดจ์ที่เคลื่อนที่ได้ 10 โอห์ม (ความต้านทานของคอยล์) อาจสร้างเอาต์พุต 200 microVoltsRMS; ใช้ Power = Vrms ^ 2 / ความต้านทานเราค้นหา Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; ดังนั้นเราไม่ควรคาดหวังเพลง 30 บิตจากแผ่นเสียงไวนิลแม้สำหรับโทนที่กรองอย่างรุนแรง

ทีนี้เพื่อความสนุกเดาว่าแบนด์วิดธ์เสียงรบกวนที่มีประสิทธิภาพคือ 62 ohms และ 0.004 Farads? มุม -3dB ประมาณ 4 เรเดียนต่อวินาที การรวมจาก DC เข้ากับอินฟินิตี้คุณจะได้รับ 6.28 เรเดียนต่อวินาที

ธรรมชาติไม่สนุกเหรอ?

— analogsystemsrf
แหล่งที่มา

11

นอกเหนือจากเรื่องของความต้องการและความแม่นยำจากสิ่งที่ฉันเข้าใจแล้วยังมีอีกสองประเด็น: การรั่วไหลและเสียง

หากคุณไปที่แรงดันสูง (เช่นการวัด 100 โวลต์ถึง 9.5 หลัก) คุณพบปัญหาการรั่วไหล: แรงดันไฟฟ้าทำให้กระแสเล็ก ๆ ไหลระหว่างจุดต่าง ๆ มากมาย (เช่นระหว่างสายขั้วบวกและขั้วลบในสายโคแอกเซียลภายใน สวิตช์ของมิเตอร์ ฯลฯ ) ซึ่งทำให้ตัวเลขสุดท้ายของคุณไม่มีประโยชน์เมื่อเทียบกับ 8.5 เมตรแล้ว

แต่เมื่อคุณไปที่แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าพูด 1 โวลต์คุณพบปัญหาเสียงรบกวนและความร้อนชดเชย ตัวเลขหลักสุดท้ายของ 1 โวลต์จะเป็น 1 นาโนโวลต์ ด้วยอิมพีแดนซ์อินพุตที่คุณต้องการ (แม้การโหลดที่เล็กที่สุดจะมีผลกระทบที่ 9.5 หลัก) คุณต้องใช้เวลาในการวัดนานอย่างไม่น่าเชื่อเพื่อกำจัดเสียงรบกวนจากความร้อน ณ จุดนั้นเสียงรบกวน 1 / f เข้ามาในภาพและทำให้ทุกอย่างแย่ลง และราวกับว่ามันยังไม่เพียงพอ: แรงดันไฟฟ้าความร้อน (แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นระหว่างโลหะสองชนิดเมื่อมีการไล่ระดับอุณหภูมิข้ามพวกมัน) อาจเป็นไปตามลำดับของไมโครโวลต์!

ดังนั้นสิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างไม่น่าเชื่อเพื่อไปให้ไกลเกินกว่าที่จะเป็นจริงได้ในห้องปฏิบัติการ (อันที่จริงแล้วเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่แท้จริงออกมาจาก 6.5 เมตรในระดับต่ำกว่าช่วงที่คุณต้องการทำสิ่งต่างๆ เข้าบัญชี) เว้นแต่คุณจะทำการปรับเทียบที่รุนแรง และในกรณีเหล่านั้นห้องปฏิบัติการอ้างอิงแบบสัมบูรณ์มักจะใช้การอ้างอิงแบบแยกโจเซฟสันแบบกำหนดเองโดยที่อุณหภูมิอุณหภูมิและควอนตัมฟิสิกส์จะถูกใช้เพื่อเปลี่ยนการวัดเวลา (ความถี่จริง ๆ ) เป็นการวัดแรงดันไฟฟ้า สิ่งเหล่านี้อาจทำให้ผู้ล่าเงินหลายพันดอลลาร์ต้องใช้ความชำนาญในการดำเนินการ

— Joren Vaes
แหล่งที่มา

5

อาจมีความต้องการมัน แต่ไม่จำเป็นต้องใหญ่ มีคนไม่มากที่ต้องการความแม่นยำมากนักมีเพียง บริษัท ระดับสูงเท่านั้นที่อาจทำให้เครื่องจักรมีความแม่นยำมาก (สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องวัดด้วย DMM 9.5 หลัก) อย่างไรก็ตามฉันสามารถจินตนาการได้ว่ามี 'ความต้องการ' หรืออย่างน้อยก็ต้องการ

เหตุผลที่ไม่มีเลยก็คือมันอาจมีราคาแพงมากที่จะทำให้มันมีความแม่นยำ ถ้าเป็นไปได้เลยมันแพงเกินไปและไม่มีใครจะซื้อ

การเปรียบเทียบเป็น บริษัท stepper ที่รู้จักกันดีซึ่งทำเครื่องจักรด้วยความแม่นยำนาโนเมตร เครื่องจักรเหล่านี้ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเลนส์สายตาเป็นอย่างมาก มี บริษัท น้อยมากในโลกนี้ที่สามารถสร้างเลนส์ที่ดีและ บริษัท แผ่นเวเฟอร์นี้ต้องการที่จะมีเลนส์ที่ดีกว่า แต่มีค่าใช้จ่ายที่พวกเขาจะได้รับจากลูกค้า

— Michel Keijzers
แหล่งที่มา

ความแม่นยำในการซ้อนทับของแผ่นเวเฟอร์ต้องต่ำกว่า nanometers ในตอนนี้ไม่ใช่หรือ? ไม่ว่าจะเป็น 10 หรือ 100 ของ picometers แต่ฉันไม่แน่ใจ

— โฟตอน

@ThePhoton True แน่นอนว่าการซ้อนทับ (ซึ่งเป็นความแม่นยำที่น้อยที่สุดสำหรับการวางเลเยอร์อยู่ใน 0.5 nm ตอนนี้ afaik, อาจจะเล็กกว่า) แต่อาจใช้ภายในบางขั้นตอนสำหรับ picometers

— Michel Keijzers

นอกจากนี้หากคุณต้องวัดหรือเข้ารหัสค่าที่แม่นยำเช่นนี้ในแบบอะนาล็อกคุณจะพยายามอย่างหนักที่จะนำพวกเขาไปยังเวลาแทนที่จะเป็นโดเมนแรงดันไฟฟ้าโดยเร็ว

— rackandboneman

ฉันไม่เห็นว่าการเปรียบเทียบนี้เกี่ยวข้องกันอย่างไร สามารถวัดตำแหน่งเชิงกลได้โดยใช้แสงและสิ่งที่คุณต้องการคือการชดเชยแบบสัมพัทธ์ให้น้อยกว่า 0.1 นาโนเมตรเมื่อดำเนินการสร้างแบบแผนสามแบบ แต่คุณไม่สนใจว่าซิลิคอน 300 มม. ขนาดใหญ่จะอยู่ตรงไหน

— MSalters

1

@MSalters ไม่ใช่ชั้นใหม่ที่จะต้องอยู่ด้านบนของชั้นที่มีอยู่

— Michel Keijzers

5

$100\,\text{V}$ $\mu\text{V}$

ปัญหาอย่างหนึ่งของการใช้มัลติมิเตอร์ขนาด 8.5 นิ้วและการวัดในระดับนั้นคือคุณต้องจัดการกับความร้อนและความสามารถในการสัมผัสซึ่งลดความแม่นยำของคุณลงอย่างมาก นอกจากนี้เอฟเฟกต์ทั้งสองแบบมักขึ้นอยู่กับอุณหภูมิซึ่งจะลดความแม่นยำของคุณลงเว้นแต่คุณจะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีในการตั้งค่าการทดสอบ หากคุณมีมัลติมิเตอร์ 9.5 หลักคุณจะต้องควบคุมสภาพแวดล้อมการวัดให้ดียิ่งขึ้น

หากคุณต้องการใช้มัลติมิเตอร์ขนาด 9.5 หลักเทคโนโลยี ADC ปัจจุบันไม่เพียงพอ ฉันคิดว่าคุณสามารถตั้งค่ากับดัก Penning สำหรับวัตถุประสงค์นั้นได้ มันจะต้องถูกสร้างขึ้นเองมีค่าใช้จ่ายไม่กี่แสนดอลลาร์และนักศึกษาปริญญาเอก 1-2 คน แต่ก็สามารถทำได้! การสอบเทียบจะเป็นส่วนที่ยุ่งยากที่สุด แต่สามารถทำได้กับอาร์เรย์ชุมทางของโจเซฟสัน (มาตรฐานหลัก)

— มาร์ติน JH
แหล่งที่มา