9.5桁以上のマルチメーターがないのはなぜですか？

なぜあなたは9買うことができない¹ / ₂桁マルチメータを？

必要ないの？8である¹ / ₂桁マルチメータはあなたが買うことができる、最新のハイエンド？私はKeysight、ケースレー、およびフルークを試してみましたが、8より高いものはない¹ / ₂桁が。

4つの理由：

• 現代のメーターにはオートレンジ機能があるためです。
• アナログシステムのダイナミックレンジが9サポートしないので、¹ / ₂桁、1 Vの範囲でノイズ・フロアは何の有意な冷却なしで、あなたがあるため熱雑音のナノボルトより低い得ることができない（ナノボルトであろう熱雑音温度を下げるための測定）、および9番目以下のすべての数字はノイズが多くなります。
• 通常、ADCの範囲は5 Vであり、24ビットADCの場合でも、ビットあたり約60 nVになり、最後の桁の分解能が制限されます。
• 一般的に使用される6.5桁のメーターでは、通常の実験室の周囲のほとんどの測定で、uV範囲のノイズがあります。そして、最後の桁は一般に6.5桁のメーターでノイズが多くなります。アプリケーションによってはもう1桁あればいいかもしれませんが、さらに3桁でもいいでしょう。

ナノボルトメーターでも9 ¹ ⁄ はありません ₂桁の数字を。

ほとんどの測定では、ノイズフロアを1μV未満に下げるために細心の注意を払う必要があるため、6桁程度で十分です。

これもポイントを示すクールなスケールです。

出典：電圧リファレンスの理解と適用

アナログサブシステムで140dBを超えるゲインを得るのは難しく、その点についても解像度に制限があります。すべてのアナログ電子機器に固有のノイズのため、ゲインは役に立たず、信号を増幅し、ノイズも増幅します。

マーケティング部門はより多くの桁を要求することができますが、それはエンジニアを助けません。

信号処理の課題を別として、いくつかのノイズフロアを調べてみましょう。

62オームの抵抗器は、290ケルビンで1ナノボルト/ rtHzのRMSノイズを生成し、さまざまな結晶欠陥の要因を無視します。その一部は電流レベルに依存し、そのナノボルトを桁違いに増加させる可能性があります。

したがって、1ボルト入力のフルスケール範囲で、1ナノボルトのランダムノイズフロアがあります。有効ノイズ帯域幅を1サイクル/秒に制限する場合。

これにより、9桁の10進数、または30ビット（または符号付き、31ビット）が得られます。

どのくらいの入力信号電力が必要ですか？

スイッチドキャパシタフィルタにV _{noise_cap} = sqrt（K * T / C）を使用すると、290度ケルビンで10 pFのキャパシタが20マイクロボルトRMSのランダムノイズを生成することがわかります。このノイズはSWITCHから発生します（FETがオフになるときのFETなど）。

ノイズフロアを20,000倍に削減する必要があります。

これには、サイズ10 pF * 20,000 * 20,000 = 4,000 * 1,000 * 1,000 pFのコンデンサが必要です。

または4ミリファラッド。

これにはどのセンサーエネルギーが必要ですか？

電力=周波数*静電容量*電圧^ 2

センサー電力= 1 * 0.004ファラッド* 1ボルト^ 2

センサー電力= 0.004ワット

どのセンサーが4ミリワットを生成しますか？10オーム（コイルの抵抗）の可動コイルフォノカートリッジは、200マイクロボルトRMSの出力を生成する場合があります。Power = Vrms ^ 2 / Resistanceを使用すると、Power = 4e-8 / 10 = 4e-9 = 4 nanoWattsになります。したがって、厳重にフィルタリングされたトーンであっても、ビニールレコードから30ビットの音楽を期待するべきではありません。

さて、楽しみのために、62オームと0.004ファラッドの有効ノイズ帯域幅はどのくらいかを推測してください。-3dBコーナーは約4ラジアン/秒です。DCから無限大まで積分すると、6.28ラジアン/秒になります。

自然が楽しくない？

私が理解していることの必要性と精度の問題とは別に、リークとノイズという2つの問題があります。

高電圧（たとえば、100ボルトから9.5桁の測定）に行くと、リークの問題が発生します：電圧により、多くの異なるポイント間（たとえば、同軸ケーブルの正と負の端子ケーブル間、メーターのスイッチなど）。これにより、既存の8.5桁のメーターと比較して、最後の桁がそれほど役に立たなくなります。

しかし、1ボルトなどの低電圧にすると、ノイズと熱オフセットの問題が発生します。1ボルトの最後の桁は1ナノボルトです。必要な入力インピーダンスを考えると（9.5桁で最小の負荷でも効果があるため）、熱ノイズを除去するには非常に長い測定時間が必要です。その時点で、1 / fノイズが実際に発生し、すべてがさらに悪化します。そして、それでも十分ではなかったように：熱電圧（2つの金属の間に温度勾配がある場合に2つの金属間に生成される電圧）は、マイクロボルトのオーダになります！

そのため、これらすべてのことは、実験室で現実的に可能な範囲を超えて移動するために信じられないほどの制御を必要とします（実際、6.5メートルのメーターから低い範囲で真の性能を引き出すには、熱起電力や漏れのようなものをとる必要がありますアカウントに）、極端なキャリブレーションを行っていない限り。そして、これらの場合、絶対参照ラボは通常、低温ジョセフソン接合ベースの参照を使用します。そこでは、極低温と量子物理学を使用して、時間の測定（実際には）を電圧の測定に変換します。これには数千ドルの費用がかかり、運用には多くの専門知識が必要です。

おそらくそれが必要ですが、大きな必要はありません。多くの人がそれほど高い精度を必要とするわけではありません。おそらく、9.5桁のDMMで測定する必要のある部品についても、その精度を備えた機械を製造している一部のハイエンド企業だけです。しかし、それに対する「ニーズ」、または少なくとも願いがあると想像できます。

何も存在しない理由は、おそらくその精度で作成するのは非常に高価だからです。可能であれば、コストがかかりすぎて誰も買わないでしょう。

アナロジーは、nm精度で機械を製造する有名なウェーハステッパー会社です。これらの機械は、光学レンズの品質に大きく依存しています。この世界には優れたレンズを製造できる会社は非常に少なく、このウェーハステッパーの会社はより良いレンズを望んでいますが、顧客からそれを取り戻すことができる費用がかかります。

私が取り組んだ以前のプロジェクトでは、ペニングトラップ実験用の高精度電圧源を構築、テスト、使用しました。必要だった$100\,\text{V}$ サブで安定している（つまり、正確ではなく）ソース$\mu\text{V}$ 範囲。

8.5桁のマルチメーターとそのレベルでの測定の1つの問題は、熱ポテンシャルと接触ポテンシャルに対処する必要があることです。これにより、精度が大幅に低下します。また、通常、両方の効果は温度に依存するため、テスト設定の熱安定性が良好でない限り、精度が低下します。9.5桁のマルチメーターを使用している場合、測定環境をさらに適切に制御する必要があります。

本当に9.5桁のマルチメータが本当に必要な場合、現在のADC技術では十分ではありません。そのために、極低温ペニングトラップをセットアップできると思います。特注で、数十万ドルの費用がかかり、1〜2人の博士課程の学生が必要です。しかし、それはできます！校正は最も難しい部分ですが、ジョセフソン接合アレイ（主要な標準）に対して行うことができます。