Multimetri digitali ad alte prestazioni

MULTIMETRI –

Un’accurata analisi delle caratteristiche e delle prestazioni dei multimetri digitali ad elevata precisione disponibili sul mercato rivolti ad applicazioni di fascia alta.

I multimetri digitali possono essere considerati, da un certo punto di vista, la quintessenza della strumentazione da laboratorio. Il mercato è piuttosto variegato, includendo sia dispositivi portatili di basso costo che apparecchiature da banco di precisione. Di seguito, in particolare, sono presentate le caratteristiche di quattro modelli di fascia alta ideali per applicazioni di ricerca e sviluppo, calibrazione e test.

Agilent
Il DMM 3458A, ad esempio, è il prodotto di punta della serie di multimetri digitali di Agilent. Caratterizzato da una risoluzione 8 ½ digit, lo strumento supporta misure in corrente e tensione, sia in Ac che in Dc, di frequenza e di resistenza (mediante configurazione a 2 o 4 fili). È basato su un convertitore A/D avente risoluzione di 24 bit e linearità di ±0.05 ppm su un intervallo di tensione di ingresso di 10 V. Supporta due diversi schemi di campionamento, di tipo direct sampling e sub-sampling (o sequential). Nel primo caso, utilizza un circuito integratore con larghezza di banda 150 KHz e apertura configurabile da 500 ns fino a 1 s, per una capacità di campionamento di fino a 50 KSamples/s. In modalità sub-sampling, adotta invece un circuito track-and-hold con larghezza di banda di 12 MHz ed apertura fissa di 2 ns, garantendo una campionamento del segnale d'ingresso di fino a 100 MSample/s ed una accuratezza nella base dei tempi di fino allo 0,01%. La velocità di lettura varia quindi a seconda della risoluzione della misura. Con risoluzione di 8 ½ digit si hanno fino a 6 letture al secondo mentre con risoluzione 4 ½ digit fino a 100 mila misure al secondo. Per quanto concerne le misure di tensione in Dc, lo strumento consente di selezionare fino a 5 diversi fondo-scala con valori massimi compresi da 0.1 V a 1 kV e risoluzioni rispettivamente di 10 nV e 10 µV; l'accuratezza (complessiva) è di circa 14 ppm garantita su due anni. Per le misure di frequenza, l'intervallo di lettura è invece compreso tra 1 Hz e 10 MHz con un'accuratezza pari allo 0,05% del valore fino a 40 Hz e allo 0,01% tra 40 Hz e 10 MHz. Il fondo-scala per le misure di resistenza è selezionabile tra 9 diversi valori compresi tra 10Ω ed 1GΩ con risoluzioni di 10µΩ e 100Ω (grazie ad una adeguata compensazione dell'offset) e un coefficiente di temperatura (ottenuto grazie alla calibrazione automatica) di 250 ppm/°C. Per le misure di corrente, i valori minimo e massimo di fondo-scala in Dc sono invece 100 nA e 1 A con risoluzioni, rispettivamente, di 1 pA e 100 nA; in Ac sono definiti 5 diversi intervalli tra 100 µA e 1 A per segnali aventi frequenza tra 10 Hz e 100 KHz. 10 mV e 1 KV sono infine i fondo-scala minimo e massimo per le misure di tensione in Ac. In questo caso il dispositivo supporta tre diverse modalità di lettura, selezionabili in funzione delle caratteristiche del segnale. Nella banda tra 1 Hz e 10 MHz e per segnali ripetitivi senza rumore casuale, ad esempio, la modalità synchronous sub-sampling assicura le migliori prestazioni in termini di accuratezza della misura, pari allo 0,010%, pur supportando fino a 10 letture per secondo. La modalità analog, adottata per segnali di frequenza nella banda compresa tra 10 Hz e 2 MHz, assicura invece le migliori prestazioni in termini di tempi di risposta; la frequenza di lettura massima è di 50 letture al secondo con accuratezza migliore dello 0,03%. Segnali non ripetitivi (come nel caso di forme d'onda con rumore ad ampio spettro) nella banda fino a 10 MHz, sono infine acquisiti in modalità random sampling, per una migliore linearità; l'accuratezza si riduce tuttavia allo 0,1% pur avendo ancora fino a 45 letture al secondo. Il DMM 3458A dispone di funzioni matematiche di base per l'elaborazione in tempo reale od off-line su campioni dalla memoria interna, come ad esempio funzioni di filtro digitale ad un polo o di conversione per l'acquisizione di termistori ed Rtd. Il pannello di controllo rende immediatamente disponibili otto comandi di base ma per applicazioni di controllo più complesse è disponibile pure l'interfaccia Gpib; lo strumento supporta la programmazione in linguaggio Aml (Agilent Multimeter Language). Dispone di trigger di ingresso e uscita Ttl per la sincronizzazione di diversi strumenti.

Signametrics
L'SMU-2064 è invece il prodotto di punta della Signametrics, società fondata nel 1990 da ingegneri fuoriusciti dalla Fluke e presto diventata riferimento nel settore dei DMM di precisione. Recentemente è stata acquisita dalla stessa Agilent, motivo per cui i suoi principali prodotti dovrebbero essere inclusi nel catalogo della società di Santa Clara a partire da questa estate. L'SMU-2064 è un DMM caratterizzato da elevate prestazioni in termini, ad esempio, di risoluzione (7 ½ digit con conversione a 25 bit) e frequenza di campionamento, che si propone come soluzione ideale per tutta una serie di applicazioni, grazie anche alla disponibilità di diverse funzioni intelligenti integrate e di un package software completo per la gestione remota. Lo strumento dispone per questo di connessione USB ma assicura una barriera di isolamento dal PC host di oltre 330 V per garantire adeguata accuratezza e precisione. Il package software, che non richiede driver addizionali per la corretta gestione, è compatibile con i più diffusi ambienti di analisi dati e controllo, sia di tipo grafico che testuale, come Delphi, Visual Basic, Lab View, ATEasy, Lab Windows o Matlab. Le funzioni di misura includono misure di tensione e corrente in Ac e Dc, misure di resistenza a 2,4 o 6 fili, misure di frequenza, LCR e temperatura, caratterizzazione V/I di diodi. Il range dinamico è compreso tra 10 nV e 330V per le misure di tensione sia in Ac che in Dc , tra 240 ηA e 2.4 A per le misure di corrente in Dc e tra 10 µA e 2.4 A per quelle in Ac, tra 1 mΩ ed 1 GΩ per le misure di resistenza. La risoluzione migliore è 7 ½ digit, alla quale la massima frequenza di misura è di 2 letture al secondo; ad una risoluzione di 4 digit si hanno invece fino a 22 mila letture al secondo. L'SMU-2064 dispone inoltre di funzionalità per la generazione di segnali in tensione e corrente. Lo strumento ha dimensioni piuttosto compatte (circa 12,7 x 17,8 x 3,5 cm3) e una dissipazione di potenza di 1,5 W compatibile con alimentazione direttamente da porta Usb. Caratteristiche simili sono presenti pure nella versione SMU-2060, disponibile a costo inferiore a patto tuttavia di rinunciare ai canali di uscita e al supporto per le misure di resistenza in configurazione a 6 fili e di accontentarsi di una massima frequenza di misura di 4600 letture per secondo.

Keithley
Dispositivi ad altre prestazioni sono pure disponibili presso Keithley. La serie Model-2000 di multimetri digitali della azienda di Cleveland, infatti, rappresenta un'interessante soluzione sia dal punto di vista dei costi che delle prestazioni e che assicura un insieme completo di soluzioni di misura, affidabilità nel lungo periodo e di facile migrazione da un modello all'altro. I modelli 2001 e 2002 (Fig. 3), in particolare, raggiungono una risoluzione rispettivamente di 7 ½ digit e 8 ½ digit effettiva grazie all'adozione di un convertitore A/D a 28 bit. Entrambi gli strumenti supportano misure di tensione in Ac e Dc, corrente e resistenza (mediante configurazione a 2 o 4 fili). Il range di misura di tensioni in continua include, per il modello 2002 ad esempio, 5 diversi fondo scala compresi tra 200 mV e 1 kV con risoluzione rispettivamente di 1 nV e 1 µV ed una stabilità di fino a 30 ppm su un arco di 2 anni. In modalità Ac, i fondo scala sono invece compresi tra 200 mV e 750V per segnali aventi frequenza da 20 Hz a 2 MHz. Gli intervalli di misura di corrente sono fino a 200 µA(minimo) o 2 A (massimo) sia in Ac (con segnali di frequenza tra 20 Hz e 100 kHz) che in Dc; in questo caso la risoluzione corrispondente è compresa tra 10 pA e 100 nA. La frequenza di acquisizione è di 44 campioni per secondo alla massima risoluzione ma arriva fino a 2000 letture al secondo ad una risoluzione di 4 ½ digit. Le applicazioni principali dei DMM delle serie 2000 riguardano applicazioni di test di connettori a bassa resistenza di contatto ed elevata affidabilità, monitoring di linee di alimentazione, caratterizzazione di resistori di precisione, analisi RHD e di risposta in frequenza. Supportano diverse misure simultaneamente come ad esempio la tensione Dc di una linea di alimentazione, il livello di rumore Ac della stessa e la frequenza di rumore di questa. Per applicazioni ad elevato numero di canali, d'altra parte, sono disponibili schede di espansione in grado di multiplexare dinamicamente fino a 10 ingressi. I DMM della serie 2000 hanno dimensioni di 9 × 21,4 × 36,9 cm3 e dissipazione di potenza di 50 VA. L'interfaccia di comunicazione è Ieee 488.2 ed Scpi compatibile. Tutti i modelli sono disponibili in diverse configurazioni con capacità di memoria interna fino a 128 K e dispongono di capacità di triggering esterno e generazione di trigger per la sincronizzazione di due o più strumenti. La funzionalità Trigger-Link combina 6 linee di trigger software indipendenti e selezionabili su di un singolo connettore. La latenza di misura a seguito del trigger è di circa 2 us + 1 us, molto più veloce della maggior parte dei DMM in commercio. È inoltre presente una modalità di rivelazione di picco che consente di rivelare spike fino a 1 µs, legati ad esempio a transienti sulle linee di alimentazione; è possibile visualizzare automaticamente il valore di picco più elevato rivelato dallo strumento oppure i valori massimo e minimo nell'intervallo di misura.

National Instrument
Un DMM con risoluzione 7 ½ digit (6 ½ in Ac) è disponibile anche presso National Instrument. Il PXI-4071, basato su conversione A/D con risoluzione programmabile da 10 a 26 bit e realizzato in formato 3U PXI, supporta misure in tensione, corrente e temperatura. Per tensioni in Dc, l'intervallo di misura può essere selezionato in fino a 100 mV od 1 kV, con risoluzione rispettivamente di 10 nV e 100 µV e stabilità su due anni di 30 ppm (entro un intervallo di 5° C dalla temperatura di calibrazione). In Ac, invece il fondo scala è selezionabile in diversi valori tra 50 mV e 700 V con risoluzione di 100 nV e 1 mV. In questi casi, è possibile adottare un algoritmo di elaborazione per la misura del valore rms del segnale che consente di rigettare digitalmente la componente Ac sulla base di campioni su pochi cicli così da ottenere velocità di misura più elevate rispetto alle tradizionali soluzione con capacitore di filtro di ingresso slow-settling. Tale schema è comunque disponibile per l'acquisizione di segnali caratterizzati da elevata componente Dc in ingresso. Per misure di corrente in Dc, l'intervallo di lettura può arrivare a 1 µA (minimo) o 3 A (massimo) con risoluzione di 1 pA (ottenuta grazie ad una innovativa configurazione di misura mediate shunt allo stato solido) e 1 µA. Lo strumento supporta inoltre misure di resistenze in modalità 2 e 4 fili (negli intervalli fino a 100 Ω e 5 GΩ e con risoluzioni di 10 µΩ e 10 Ω) e per la caratterizzazione di diodi zener, Led e giunzioni p-n fino a 10 V. In generale, la frequenza di acquisizione del PXI-4071 è 7 campioni per secondo alla massima risoluzione e fino 20 mila lettura per secondo a risoluzione di 4 ½ digit. Oltre alle funzionalità di misura, lo strumento dispone inoltre di digitizer con capacità di campionamento di fino a 1.8 MSample/s per l'acquisizione di forme d'onda accoppiate in Dc. I campioni acquisiti possono essere trasferiti ad un sistema host mediante connessione PXI. La dissipazione di potenza dello PXI-4071 è inferiore a 8 W, erogata dal bus stesso. Il dispositivo dispone di modalità di auto calibrazione. Supporta trigger in ingresso e uscita con frequenza di trigger massima di 6 KHz e latenza di 3,6 µs. È compatibile con le schede PXI-2530 e SCXI-1129 per il multiplexing di canali ed ovviamente corredato di driver per la gestione sotto LabView, LabWindows/Cvi, Measurement Studio.

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