Tại sao không có vạn năng 9,5 chữ số trở lên?

Tại sao bạn không thể mua đồng hồ vạn năng 9 ¹ ⁄ _{2 chữ} số?

Không có nhu cầu cho nó? Là một vạn năng 8 ¹ ⁄ _{2 chữ} số là cao cấp mới nhất bạn có thể mua? Tôi đã cố gắng Keysight, Keithley, và Fluke, nhưng không có gì cao hơn 8 là ¹ / ₂ chữ số.

Bốn lý do:

• Bởi vì đồng hồ hiện đại có chức năng autoranging.
• Bởi vì phạm vi động của hệ thống tương tự sẽ không hỗ trợ 9 ¹ ⁄ ₂ chữ số, với phạm vi 1 V, tầng nhiễu sẽ ở dạng nanovolts (bạn không thể hạ thấp hơn nanovolts vì nhiễu nhiệt, mà không làm mát đáng kể đo của bạn để giảm nhiệt độ tiếng ồn nhiệt) và tất cả các chữ số dưới số 9 sẽ bị nhiễu.
• ADC thường có phạm vi 5 V và thậm chí với ADC 24 bit, bạn sẽ có khoảng 60 nV mỗi bit, điều này hạn chế độ phân giải của các chữ số cuối.
• Trên một mét 6,5 chữ số thường được sử dụng, đối với hầu hết các phép đo xung quanh một phòng thí nghiệm bình thường đều có nhiễu trong phạm vi uV. Và các chữ số cuối cùng thường ồn ào trên một mét 6,5 chữ số. Một chữ số nữa có thể tốt cho một số ứng dụng, 3 chữ số nữa sẽ là phù phiếm.

Ngay cả mét nanovolt cũng không có 9 ¹ ⁄ ₂ chữ số.

Đối với hầu hết các phép đo, 6 chữ số (hoặc hơn) sẽ đủ vì phải hết sức cẩn thận để giảm mức nhiễu dưới 1 μV.

Đây là một thang điểm tuyệt vời cũng minh họa điểm:

Nguồn: Hiểu và áp dụng tài liệu tham khảo điện áp

Thật khó để đạt được mức tăng lớn hơn 140dB với một hệ thống con tương tự, và về điểm đó, bạn cũng bị giới hạn về độ phân giải. Đạt được không giúp ích vì tiếng ồn vốn có trong tất cả các thiết bị điện tử tương tự, bạn tăng tín hiệu, bạn cũng thu được tiếng ồn.

Các bộ phận tiếp thị có thể yêu cầu thêm chữ số, nhưng nó sẽ không giúp các kỹ sư.

Đặt các thách thức xử lý tín hiệu sang một bên, chúng ta hãy kiểm tra một số tầng nhiễu.

Một điện trở 62 ohm tạo ra nhiễu RMS 1 nanovolt / rtHz ở mức 290 Kelvin và bỏ qua các bộ đóng góp lỗ hổng tinh thể khác nhau, một số trong số chúng phụ thuộc ở mức hiện tại và có thể tăng cường nanovolt đó theo độ lớn.

Vì vậy, chúng ta có một tầng nhiễu ngẫu nhiên 1 nanovolt, trong phạm vi toàn thang đầu vào 1 volt. Nếu bạn giới hạn băng thông nhiễu hiệu quả đến 1 chu kỳ mỗi giây.

Điều này cung cấp cho chúng tôi 9 chữ số thập phân, hoặc 30 bit (hoặc có dấu, 31 bit).

Chúng ta phải có bao nhiêu công suất tín hiệu đầu vào?

Sử dụng V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) cho bộ lọc tụ điện chuyển đổi, chúng tôi tìm hiểu một tụ điện 10 pF ở 290 độ Kelvin sẽ tạo ra nhiễu ngẫu nhiên RMS 20 microvolts. Tiếng ồn này phát ra từ SWITCH (ví dụ FET, khi FET tắt).

Chúng ta cần giảm sàn tiếng ồn theo hệ số 20.000.

Điều này đòi hỏi một tụ điện có kích thước 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF.

Hoặc 4 millifarad.

Năng lượng cảm biến này không yêu cầu gì?

Công suất = tần số * điện dung * điện áp ^ 2

Công suất cảm biến = 1 * 0,004 farad * 1 volt ^ 2

Công suất cảm biến = 0,004 watt

Những cảm biến nào tạo ra 4 milliwatts? Một phono-Cartridge di chuyển với 10 ohms (điện trở của cuộn dây) có thể tạo ra đầu ra 200 microVoltsRMS; sử dụng Power = Vrms ^ 2 / Điện trở, chúng tôi tìm thấy Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; do đó chúng ta không nên mong đợi nhạc 30 bit từ các bản ghi vinyl, ngay cả đối với các âm được lọc nghiêm ngặt.

Bây giờ, để giải trí, hãy đoán băng thông nhiễu hiệu quả của 62 ohms và 0,004 Farads là gì? Góc -3dB là khoảng 4 radian mỗi giây. Tích hợp từ DC đến vô cùng, bạn nhận được 6,28 radian mỗi giây.

Thiên nhiên không vui sao?

Ngoài vấn đề cần thiết và chính xác từ những gì tôi hiểu, còn có hai vấn đề khác: Rò rỉ và tiếng ồn.

Nếu bạn đi đến điện áp cao (ví dụ: đo 100 volt đến 9,5 chữ số), bạn sẽ gặp phải sự cố rò rỉ: điện áp làm cho dòng điện nhỏ chảy giữa rất nhiều điểm khác nhau (ví dụ, giữa cáp đầu cực dương và âm trong cáp đồng trục, bên trong các công tắc của đồng hồ, v.v.), làm cho chữ số cuối cùng của bạn không hữu dụng so với đồng hồ 8,5 chữ số đã có ở đó.

Nhưng khi bạn đi đến điện áp thấp hơn, giả sử 1 volt, bạn gặp phải các vấn đề bù nhiễu và nhiệt. Chữ số cuối cùng trên 1 volt sẽ là 1 nanovolt. Với trở kháng đầu vào mà bạn muốn (vì ngay cả tải nhỏ nhất cũng có hiệu lực ở mức 9,5 chữ số), bạn cần thời gian đo cực kỳ dài để loại bỏ nhiễu nhiệt. Tại thời điểm đó, nhiễu 1 / f thực sự đi vào bức tranh và khiến mọi thứ trở nên tồi tệ hơn. Và như thể nó không đủ: điện áp nhiệt (điện áp được tạo ra giữa hai kim loại khi có một dải nhiệt độ trên chúng) có thể theo thứ tự của các vi điện tử!

Vì vậy, tất cả những điều này đòi hỏi phải có sự kiểm soát đáng kinh ngạc để vượt qua, vượt ra ngoài những gì có thể thực tế trong phòng thí nghiệm (Trên thực tế, để có được hiệu suất thực sự từ một mét 6,5 chữ số ở phạm vi thấp hơn bạn đã cần phải thực hiện những thứ như EMF nhiệt và rò rỉ vào tài khoản), trừ khi bạn đang thực hiện hiệu chuẩn cực đoan. Và trong những trường hợp đó, các phòng thí nghiệm tham chiếu tuyệt đối thường sẽ sử dụng các tham chiếu dựa trên đường nối Josephson tùy chỉnh, trong đó nhiệt độ đông lạnh và vật lý lượng tử được sử dụng để biến phép đo thời gian (tần số, thực sự) thành phép đo điện áp. Những thứ này có thể tiêu tốn nhiều hàng ngàn đô la và đòi hỏi nhiều chuyên môn để vận hành.

Có lẽ, có một nhu cầu cho nó, nhưng không phải là một nhu cầu lớn. Không nhiều người cần độ chính xác cao như vậy, chỉ một số công ty cao cấp có thể chế tạo máy cũng có độ chính xác cao như vậy (đối với các bộ phận cần đo bằng DMM 9,5 chữ số). Tuy nhiên, tôi có thể tưởng tượng có một 'nhu cầu' cho nó, hoặc ít nhất là một điều ước.

Lý do tại sao không có, là có lẽ rất tốn kém để làm cho một với độ chính xác đó; nếu có thể, nó quá tốn kém và không ai sẽ mua nó.

Một sự tương tự là một công ty bước wafer nổi tiếng làm cho máy móc có độ chính xác bước sóng. Những máy này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của ống kính quang học. Có rất ít công ty trên thế giới này có thể tạo ra ống kính tốt, và công ty bước đi wafer này muốn có ống kính tốt hơn, nhưng chỉ với chi phí họ có thể kiếm lại từ khách hàng.

Trong một dự án trước đây tôi đã làm việc, chúng tôi đã xây dựng, thử nghiệm và sử dụng các nguồn điện áp chính xác cho các thí nghiệm bẫy Penning . Chúng tôi cần$100\,\text{V}$ các nguồn ổn định (nghĩa là chính xác, không chính xác) trong tiểu mục$\mu\text{V}$ phạm vi.

Một vấn đề với vạn năng 8,5 chữ số và các phép đo ở mức đó là bạn phải đối phó với các tiềm năng nhiệt và tiềm năng tiếp xúc, làm giảm nghiêm trọng độ chính xác của bạn. Ngoài ra, cả hai hiệu ứng thường phụ thuộc vào nhiệt độ, làm giảm độ chính xác của bạn, trừ khi bạn có độ ổn định nhiệt tốt của thiết lập thử nghiệm. Nếu bạn có đồng hồ vạn năng 9,5 chữ số, bạn sẽ phải kiểm soát tốt hơn môi trường đo.

Nếu bạn thực sự, thực sự cần một vạn năng 9,5 chữ số, công nghệ ADC hiện tại là không đủ. Tôi cho rằng bạn có thể thiết lập bẫy Penning gây lạnh cho mục đích đó. Nó sẽ phải được xây dựng tùy chỉnh, chi phí vài trăm nghìn đô la và một đến hai nghiên cứu sinh. Nhưng nó có thể được thực hiện! Hiệu chuẩn sẽ là phần khó nhất, nhưng có thể được thực hiện đối với mảng tiếp giáp Josephson (tiêu chuẩn chính).