9.5 자리 멀티 미터 이상이없는 이유는 무엇입니까?

왜 9 ¹ ⁄ ₂ 자리 멀티 미터 를 구입할 수 없습니까?

필요하지 않습니까? 8 ¹ ⁄ ₂ 자리 멀티 미터는 최신 최고급 제품입니까? Keysight, Keithley 및 Fluke를 시도했지만 8 ¹ ⁄ ₂ 자릿수 보다 큰 것은 없습니다 .

네 가지 이유 :

• 현대식 미터에는 자동 범위 기능이 있기 때문입니다.
• 아날로그 시스템의 다이나믹 레인지는 9 ¹ ⁄ ₂ 디지트를 지원하지 않기 때문에 1 V 범위에서 노이즈 플로어는 나노 볼트에 있습니다 (열 노이즈로 인해 나노 볼트보다 낮을 수는 없습니다. 열 노이즈 온도를 낮추기위한 측정) 및 9 일 이하의 모든 숫자에 노이즈가 발생합니다.
• ADC는 일반적으로 5V 범위를 가지며 24 비트 ADC의 경우에도 비트 당 약 60nV를 가지므로 마지막 자릿수의 해상도가 제한됩니다.
• 일반적으로 사용되는 6.5 디지트 미터에서 일반 실험실 주변의 대부분의 측정에는 uV 범위의 노이즈가 있습니다. 그리고 마지막 숫자는 일반적으로 6.5 자리 미터에서 노이즈가 있습니다. 일부 응용 프로그램에는 하나 이상의 숫자가 좋을 수 있으며, 3 자리 숫자는 경박합니다.

나노 볼트 미터조차도 9 ¹ ⁄ ₂ 자리 가 없습니다 .

대부분의 측정에서는 노이즈 플로어를 1μV 아래로 낮추기 위해 세심한주의를 기울여야하므로 6 자리 정도의 숫자만으로 충분합니다.

다음은 요점을 보여주는 멋진 척도입니다.

출처 : 전압 레퍼런스 이해 및 적용

아날로그 서브 시스템으로는 140dB 이상의 이득을 얻기가 어렵고, 그 시점에서 해상도에 한계가 있습니다. 모든 아날로그 전자 장치에 내재 된 잡음으로 인해 이득을 얻는 것은 도움이되지 않습니다. 신호를 얻고 잡음을 얻습니다.

마케팅 부서는 더 많은 숫자를 요청할 수 있지만 엔지니어에게는 도움이되지 않습니다.

신호 처리 문제를 제외하고 일부 노이즈 플로어를 살펴 보겠습니다.

62ohm 저항은 290Kelvin에서 1 나노 볼트 / rtHz RMS 노이즈를 생성하고 다양한 수정 결함 기여자를 무시합니다.이 중 일부는 전류 레벨에 따라 달라지며 나노 볼트를 몇 배나 높일 수 있습니다.

따라서 1 볼트 입력 풀 스케일 범위에서 1 나노 볼트 랜덤 노이즈 플로어가 있습니다. 유효 잡음 대역폭을 초당 1 사이클로 제한하는 경우.

이것은 우리에게 10 진수 9 자리, 또는 30 비트 (또는 부호, 31 비트)를 제공합니다.

입력 신호 전력은 얼마입니까?

스위치드 커패시터 필터에 V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C)를 사용하여 290도에서 10 pF 커패시터를 학습하여 20 마이크로 볼트 RMS 랜덤 노이즈를 생성합니다. 이 노이즈는 SWITCH (예 : FET가 꺼 졌을 때 FET)에서 발생합니다.

노이즈 플로어를 20,000 배 줄여야합니다.

이를 위해서는 10 pF * 20,000 * 20,000 = 4,000 * 1,000 * 1,000 pF 크기의 커패시터가 필요합니다.

또는 4 밀리 파라 드.

어떤 센서 에너지가 필요합니까?

전력 = 주파수 * 정전 용량 * 전압 ^ 2

센서 전력 = 1 * 0.004 패럿 * 1 볼트 ^ 2

센서 전력 = 0.004 와트

4 밀리 와트를 생산하는 센서는 무엇입니까? 10 옴 (코일 저항)을 갖는 가동 코일 포노 카트리지는 200 microVoltsRMS 출력을 생성 할 수 있습니다. Power = Vrms ^ 2 / Resistance를 사용하면 Power = 4e-8 / 10 = 4e-9 = 4 nanoWatts입니다. 따라서 심하게 필터링 된 톤의 경우에도 비닐 레코드에서 30 비트 음악을 기 대해서는 안됩니다.

이제 재미있게, 62Ω 및 0.004 패럿의 유효 잡음 대역폭은 무엇입니까? -3dB 코너는 초당 약 4 라디안입니다. DC에서 무한대까지 통합하면 초당 6.28 라디안을 얻을 수 있습니다.

자연이 재미 있지 않습니까?

내가 이해 한 것의 필요성과 정확성 문제 외에도 누설과 소음이라는 두 가지 다른 문제가 있습니다.

고전압 (예 : 100 볼트 ~ 9.5 자리 측정)으로 이동하면 누설 문제가 발생합니다. 전압으로 인해 많은 다른 지점 사이 (예 : 동축 케이블의 양극과 음극 케이블 사이에 작은 전류가 흐릅니다) 마지막 미터는 이미 8.5 자리 미터와 비교할 때 유용하지 않습니다.

그러나 1V와 같이 전압을 낮추면 노이즈 및 열 오프셋 문제가 발생합니다. 1 볼트의 마지막 숫자는 1 나노 볼트입니다. 원하는 입력 임피던스를 고려할 때 (가장 작은 부하라도 9.5 자리에서 영향을 미치기 때문에) 열 노이즈를 제거하려면 엄청나게 긴 측정 시간이 필요합니다. 이 시점에서 1 / f 노이즈가 실제로 화면에 나타나고 모든 것이 더욱 악화됩니다. 그리고 충분하지 않은 것처럼 : 열 전압 (두 금속 사이에 온도 구배가있을 때 두 금속 사이에서 생성 된 전압)은 마이크로 볼트 정도일 수 있습니다!

따라서 이러한 모든 것들은 실험실에서 현실적으로 가능한 것 이상을 극복하기 위해 놀라운 제어가 필요합니다 (사실, 이미 열 EMF 및 누출과 같은 것을 취해야하는 더 낮은 범위에서 6.5 디지트 미터에서 실제 성능을 얻으려면 극단적 인 교정을하지 않는 한). 이 경우 절대 기준 실험실은 일반적으로 극저온 온도와 양자 물리학을 사용하여 시간 측정 (주파수, 실제)을 전압 측정으로 전환하는 맞춤형 조셉슨 접합 기반 기준을 사용합니다. 이러한 비용은 수 천만 달러에 달하며 운영에 많은 전문 지식이 필요합니다.

아마 필요하지만 큰 필요는 없습니다. 많은 사람들이 그 정도의 정확성을 필요로하지는 않으며, 9.5 디지트 DMM으로 측정해야하는 부품들에 대해서도 그 정도의 정확도를 가진 기계를 만드는 일부 고급 회사들만 있습니다. 그러나 나는 그것이 필요하거나 적어도 소원이 있다고 상상할 수 있습니다.

그 이유가없는 이유는 아마도 그 정확성으로 그것을 만드는 것이 매우 비싸기 때문입니다. 그것이 가능하다면 너무 비싸고 아무도 그것을 사지 않을 것입니다.

유추는 nm 정확도로 기계를 만드는 잘 알려진 웨이퍼 스테퍼 회사입니다. 이 기계는 광학 렌즈의 품질에 크게 의존합니다. 이 세계에는 좋은 렌즈를 만들 수있는 회사가 거의 없으며,이 웨이퍼 스테퍼 회사는 더 나은 렌즈를 원하지만 고객으로부터 다시 얻을 수있는 비용으로이 렌즈를 원합니다.

이전에 작업 한 프로젝트 에서 Penning trap 실험을위한 정밀 전압 소스를 구축, 테스트 및 사용했습니다 . 우리는 필요했다$100\,\text{V}$ 하위에서 안정된 소스 (정확하고 정확하지 않은)$\mu\text{V}$ 범위.

8.5 자리 멀티 미터 및 해당 수준의 측정에서 한 가지 문제는 열 전위 및 접촉 전위를 처리해야 정확도가 크게 저하된다는 것입니다. 또한 두 가지 효과는 일반적으로 온도에 따라 다르므로 테스트 설정의 열 안정성이 좋지 않으면 정밀도가 떨어집니다. 9.5 디지트 멀티 미터가있는 경우 측정 환경을 더 잘 제어해야합니다.

실제로 9.5 자리 멀티 미터가 필요한 경우 현재 ADC 기술로는 충분하지 않습니다. 그런 목적으로 극저온 페닝 트랩을 설치할 수 있다고 가정합니다. 그것은 맞춤 제작되어야하고, 수십만 달러의 비용과 1-2 명의 PhD 학생들이 필요했습니다. 그러나 할 수 있습니다! 교정은 가장 까다로운 부분이지만 Josephson 정션 어레이 (1 차 표준)에 대해 수행 할 수 있습니다.