¿Por qué no hay un multímetro de 9.5 dígitos o más?

¿Por qué no puedes comprar un multímetro de 9 ¹ ⁄ ₂ dígitos?

¿No hay necesidad de ello? ¿Es un multímetro de 8 ¹ ⁄ ₂ dígitos la última gama alta que puede comprar? He probado Keysight, Keithley y Fluke, pero no hay nada más alto que 8 ¹ ⁄ ₂ dígitos.

Cuatro razones:

• Porque los medidores modernos tienen una función de rango automático.
• Debido a que el rango dinámico del sistema analógico no admitiría 9 ¹ ⁄ ₂ dígitos, con un rango de 1 V, el ruido de fondo estaría en los nanovoltios (no puede ser inferior a los nanovoltios debido al ruido térmico, sin un enfriamiento significativo de lo que su medición para reducir la temperatura del ruido térmico), y todos los dígitos debajo del noveno serían ruidosos.
• Los ADC generalmente tienen un rango de 5 V, e incluso con un ADC de 24 bits, tendrá aproximadamente 60 nV por bit, lo que restringe la resolución de los últimos dígitos.
• En un medidor de 6.5 dígitos que se usa comúnmente, para la mayoría de las mediciones alrededor de un laboratorio normal hay ruido en el rango de uV. Y los últimos dígitos suelen ser ruidosos en un medidor de 6.5 dígitos. Un dígito más podría ser bueno para algunas aplicaciones, 3 dígitos más serían frívolos.

Incluso los medidores de nanovoltios no tienen 9 ¹ ⁄ ₂ dígitos.

Para la mayoría de las mediciones, serán suficientes 6 (más o menos) dígitos porque se debe tener mucho cuidado para reducir el nivel de ruido por debajo de 1 μV.

Aquí hay una escala genial que también ilustra el punto:

Fuente: Comprensión y aplicación de referencias de voltaje

Es difícil obtener ganancias mayores de 140dB con un subsistema analógico, y sobre ese punto también está limitado en la resolución. Ganar no ayuda debido al ruido inherente a todos los dispositivos electrónicos analógicos, aumenta la señal, también aumenta el ruido.

Los departamentos de marketing pueden pedir más dígitos, pero no ayudará a los ingenieros.

Dejando de lado los desafíos de procesamiento de señales, examinemos algunos niveles de ruido.

Una resistencia de 62 ohmios produce 1 nanovoltio / rtHz RMS de ruido a 290 Kelvin, e ignora varios contribuyentes de fallas de cristal, algunos de los cuales dependen del nivel de corriente y pueden aumentar ese nanovolt en órdenes de magnitud.

Entonces tenemos un piso de ruido aleatorio de 1 nanovoltio, en un rango de escala completa de entrada de 1 voltio. Si restringe el ancho de banda de ruido efectivo a 1 ciclo por segundo.

Esto nos da 9 dígitos decimales, o 30 bits (o con signo, 31 bits).

¿Cuánta potencia de señal de entrada debemos tener?

Usando V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) para un filtro de condensador conmutado, aprendemos que un condensador de 10 pF a 290 grados Kelvin producirá un ruido aleatorio de 20 microvoltios RMS. Este ruido proviene del INTERRUPTOR (por ejemplo, un FET, ya que el FET se apagó).

Necesitamos reducir el ruido de fondo en un factor de 20,000.

Esto requiere un condensador de tamaño 10 pF * 20,000 * 20,000 = 4,000 * 1,000 * 1,000 pF.

O 4 milifaradios.

¿Qué energía del sensor requiere esto?

Potencia = frecuencia * capacitancia * voltaje ^ 2

Potencia del sensor = 1 * 0.004 farad * 1 voltio ^ 2

Potencia del sensor = 0.004 vatios

¿Qué sensores producen 4 milivatios? Un cartucho de fono de bobina móvil con 10 ohmios (resistencia de la bobina) puede producir una salida de 200 microvoltios RMS; usando Power = Vrms ^ 2 / Resistance, encontramos Power = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; por lo tanto, no deberíamos esperar música de 30 bits de discos de vinilo, incluso para tonos severamente filtrados.

Ahora, por diversión, adivina cuál es el ancho de banda de ruido efectivo de 62 ohmios y 0.004 Faradios. La esquina de -3dB es de aproximadamente 4 radianes por segundo. Al integrarse desde DC hasta el infinito, obtienes 6.28 radianes por segundo.

¿No es divertido en la naturaleza?

Aparte de la cuestión de la necesidad y la precisión de lo que entiendo, hay otros dos problemas: fugas y ruido.

Si va a altos voltajes (por ejemplo, midiendo de 100 voltios a 9.5 dígitos) se encuentra con problemas de fuga: el voltaje hace que pequeñas corrientes fluyan entre muchos puntos diferentes (por ejemplo, entre los cables terminales positivo y negativo en un cable coaxial, dentro los interruptores del medidor, etc.), lo que hace que su último dígito no sea tan útil en comparación con un medidor de 8.5 dígitos que ya existe.

Pero cuando va a voltajes más bajos, digamos 1 voltio, se encuentra con problemas de ruido y compensación térmica. El último dígito en 1 voltio sería 1 nanovoltio. Dada la impedancia de entrada que desea (ya que incluso la carga más pequeña tendrá un efecto de 9,5 dígitos), necesita tiempos de medición increíblemente largos para eliminar el ruido térmico. En ese punto, el ruido 1 / f realmente entra en escena y empeora aún más las cosas. Y como si no fuera suficiente: ¡los voltajes térmicos (voltaje generado entre dos metales cuando hay un gradiente de temperatura a través de ellos) pueden ser del orden de microvoltios!

Por lo tanto, todas estas cosas requieren un control increíble para moverse, más allá de lo que es realmente posible en un laboratorio (de hecho, para obtener el verdadero rendimiento de un medidor de 6.5 dígitos en los rangos más bajos, ya necesita tomar cosas como EMF térmico y fugas en cuenta), a menos que esté haciendo una calibración extrema. Y en esos casos, los laboratorios de referencia absoluta generalmente utilizarán referencias personalizadas basadas en la unión de Josephson, donde las temperaturas criogénicas y la física cuántica se utilizan para convertir una medición de tiempo (frecuencia, realmente) en una medición de voltaje. Estos pueden costar muchos cientos de miles de dólares y requieren mucha experiencia para operar.

Probablemente, hay una necesidad, pero no una gran necesidad. No muchas personas necesitan tanta precisión, solo algunas compañías de alto nivel que probablemente fabrican máquinas que también tienen tanta precisión (para las piezas que deben medirse con un DMM de 9,5 dígitos). Sin embargo, puedo imaginar que hay una 'necesidad' de eso, o al menos un deseo.

La razón por la que no hay ninguno es que probablemente sea muy costoso hacer uno con esa precisión; si es posible, es demasiado costoso y nadie lo comprará.

Una analogía es una conocida empresa de obleas paso a paso que fabrica máquinas con precisión nm. Estas máquinas dependen en gran medida de la calidad de las lentes ópticas. Hay muy pocas compañías en este mundo que puedan hacer buenos lentes, y esta compañía de obleas le gustaría tener mejores lentes, pero solo a costa de que puedan recuperarla de los clientes.

En un proyecto anterior en el que trabajé, construimos, probamos y utilizamos fuentes de voltaje de precisión para experimentos con trampas Penning . Nosotros necesitabamos$100\,\text{V}$ las fuentes deben ser estables (es decir, precisas, no precisas) en el sub-$\mu\text{V}$ rango.

Un problema con los multímetros de 8,5 dígitos y las mediciones a ese nivel es que tiene que lidiar con potenciales térmicos y potenciales de contacto, que degradan severamente su precisión. Además, ambos efectos generalmente dependen de la temperatura, lo que degrada su precisión, a menos que tenga una buena estabilidad térmica de la configuración de prueba. Si tuviera un multímetro de 9.5 dígitos, tendría que tener un control aún mejor sobre el entorno de medición.

Si realmente necesita un multímetro de 9,5 dígitos, la tecnología ADC actual no es suficiente. Supongo que podrías instalar una trampa de Penning criogénica para ese propósito. Tendría que ser personalizado, costaría unos cientos de miles de dólares y uno o dos estudiantes de doctorado. ¡Pero puede hacerse! La calibración sería la parte más complicada, pero se puede hacer contra una matriz de unión Josephson (estándar primario).