Por que não existe um multímetro de 9,5 dígitos ou superior?

Por que você não pode comprar um 9 ¹ / ₂ multímetro quatro dígitos?

Não há necessidade disso? Um multímetro de 8 ¹ / _2- dígitos é o mais recente que você pode comprar? Eu tentei Keysight, Keithley e Fluke, mas não há nada maior do que 8 ¹ / ₂ dígitos.

Quatro razões:

• Porque os medidores modernos têm uma função de variação automática.
• Porque a faixa dinâmica do sistema analógico não apoiaria 9 ¹ / ₂ dígitos, com um intervalo de 1 V o ruído estaria nas nanovolts (você não pode ficar mais baixo do que nanovolts por causa de ruído térmico, sem significativo arrefecimento do que sua medição para reduzir a temperatura do ruído térmico) e todos os dígitos abaixo do 9º seriam barulhentos.
• Os ADCs geralmente têm uma faixa de 5 V e, mesmo com um ADC de 24 bits, você terá aproximadamente 60 nV por bit, o que restringe a resolução dos últimos dígitos.
• Em um medidor de 6,5 dígitos que é comumente usado, para a maioria das medições em um laboratório normal há ruído na faixa de uV. E os últimos dígitos são geralmente barulhentos em um medidor de 6,5 dígitos. Mais um dígito pode ser bom para algumas aplicações, mais três dígitos seriam frívolos.

Mesmo metros nanovelts não têm 9 ¹ / ₂ dígitos.

Para a maioria das medições, 6 (ou mais) dígitos serão suficientes, pois é necessário muito cuidado para reduzir o nível de ruído abaixo de 1 μV.

Aqui está uma escala legal que também ilustra o ponto:

Fonte: Compreendendo e aplicando referências de tensão

É difícil obter ganhos maiores que 140dB com um subsistema analógico e, nesse ponto, você também tem resolução limitada. Ganhar não ajuda por causa do ruído inerente a todos os componentes eletrônicos analógicos, você aumenta o sinal e também o ruído.

Os departamentos de marketing podem solicitar mais dígitos, mas isso não vai ajudar os engenheiros.

Deixando de lado os desafios de processamento de sinal, vamos examinar alguns pisos de ruído.

Um resistor de 62 ohm produz ruído RMS de 1 nanovolt / rtHz a 290 Kelvin e ignora vários contribuidores de falhas de cristal, alguns dos quais dependem do nível de corrente e podem aumentar esse nanovolt por ordens de magnitude.

Portanto, temos um piso de ruído aleatório de 1 nanovolt, em uma faixa de entrada de 1 volt em escala completa. Se você restringir a largura de banda do ruído efetivo a 1 ciclo por segundo.

Isso nos fornece 9 dígitos decimais ou 30 bits (ou com sinal, 31 bits).

Quanta energia de sinal de entrada devemos ter?

Usando V _{noise_cap} = sqrt (K * T / C) para um filtro de capacitor comutado, aprendemos que um capacitor de 10 pF a 290 graus Kelvin produzirá ruído aleatório RMS de 20 microvolts. Esse ruído provém do SWITCH (por exemplo, um FET, quando o FET foi desligado).

Precisamos reduzir o nível de ruído em um fator de 20.000.

Isso requer um capacitor de tamanho 10 pF * 20.000 * 20.000 = 4.000 * 1.000 * 1.000 pF.

Ou 4 milifarads.

Que energia de sensor isso requer?

Potência = frequência * capacitância * tensão ^ 2

Potência do sensor = 1 * 0,004 farad * 1 volt ^ 2

Potência do sensor = 0,004 watts

Quais sensores produzem 4 miliwatts? Um fono-cartucho de bobina móvel com 10 ohms (resistência da bobina) pode produzir 200 microVoltsRMS de saída; usando Potência = Vrms ^ 2 / Resistência, encontramos Potência = 4e-8/10 = 4e-9 = 4 nanoWatts; portanto, não devemos esperar música de 30 bits de discos de vinil, mesmo para tons severamente filtrados.

Agora, por diversão, adivinhe qual é a largura de banda de ruído efetivo de 62 ohms e 0,004 Farads? O canto -3dB é de cerca de 4 radianos por segundo. Integrando do DC ao infinito, você obtém 6,28 radianos por segundo.

A natureza não é divertida?

Além da necessidade e precisão do que entendo, há duas outras questões: Vazamento e ruído.

Se você passa a altas tensões (por exemplo, medindo 100 volts a 9,5 dígitos), há problemas de vazamento: a tensão faz com que pequenas correntes fluam entre muitos pontos diferentes (por exemplo, entre os cabos terminais positivos e negativos em um cabo coaxial, dentro os interruptores do medidor, etc.), o que torna seu último dígito não tão útil em comparação com um medidor de 8,5 dígitos já existente no mercado.

Porém, quando você reduz a tensão, digamos 1 volt, encontra problemas de ruído e compensação térmica. O último dígito em 1 volt seria 1 nanovolt. Dada a impedância de entrada que você deseja (como até o menor carregamento terá efeito a 9,5 dígitos), você precisa de tempos de medição incrivelmente longos para se livrar do ruído térmico. Nesse ponto, o ruído 1 / f realmente entra em cena e torna tudo ainda pior. E como se não bastasse: as voltagens térmicas (voltagem gerada entre dois metais quando há um gradiente de temperatura entre eles) podem ser da ordem de microvolts!

Portanto, todas essas coisas exigem um controle incrível, além do que é realisticamente possível em um laboratório (de fato, para obter o verdadeiro desempenho de um medidor de 6,5 dígitos nas faixas mais baixas, você já precisa realizar coisas como EMF térmico e vazamento em conta), a menos que você esteja fazendo uma calibração extrema. E nesses casos, os laboratórios de referência absolutos geralmente usam referências personalizadas baseadas na junção de Josephson, onde temperaturas criogênicas e física quântica são usadas para transformar uma medida de tempo (frequência, realmente) em uma medida de tensão. Isso pode custar muitos centenas de milhares de dólares e requer muita experiência para operar.

Provavelmente, existe uma necessidade, mas não uma grande necessidade. Poucas pessoas precisam de tanta precisão, apenas algumas empresas de ponta que provavelmente fabricam máquinas com essa precisão (para as peças que precisam ser medidas com um DMM de 9,5 dígitos). No entanto, posso imaginar que haja uma "necessidade", ou pelo menos um desejo.

A razão pela qual não há, é que provavelmente é muito caro fazer alguém com essa precisão; se é possível, é muito caro e ninguém o comprará.

Uma analogia é uma empresa bem conhecida de wafer stepper que fabrica máquinas com precisão de nm. Essas máquinas dependem muito da qualidade das lentes ópticas. Existem muito poucas empresas neste mundo que podem fazer boas lentes, e essa empresa de wafer stepper gostaria de ter lentes melhores, mas justamente ao custo que elas podem obter de volta dos clientes.

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

Um problema com multímetros e medidores de 8,5 dígitos nesse nível é que você precisa lidar com potenciais térmicos e potenciais de contato, o que prejudica severamente sua precisão. Além disso, ambos os efeitos geralmente dependem da temperatura, o que diminui sua precisão, a menos que você tenha uma boa estabilidade térmica da configuração de teste. Se você tivesse um multímetro de 9,5 dígitos, teria que ter um controle ainda melhor sobre o ambiente de medição.

Se você realmente precisa de um multímetro de 9,5 dígitos, a tecnologia ADC atual não é suficiente. Suponho que você possa montar uma armadilha Penning criogênica para esse fim. Teria de ser personalizado, custaria algumas centenas de milhares de dólares e um a dois estudantes de doutorado. Mas isto pode ser feito! A calibração seria a parte mais complicada, mas pode ser feita com uma matriz de junção Josephson (padrão primário).