1.速度

測定速度と解像度はDMM測定の2つの鍵ですが、これら2つの要因は相互に妥協しています。測定速度を速くする必要がある場合、必然的に解像度が犠牲になります。測定速度を遅くすると、解像度を上げることができます。測定速度が遅いと、信号解像度が良好になり、読み取り値がより正確になります。一方、測定速度が速いと、テストスループットが向上します。ただし、このとき、解像度と精度は低下します。

以下は、ADC(アナログ-デジタルコンバータ)プロセスで発生する量子化誤差について簡単に説明します。量子化誤差とは、連続値を離散値に量子化するときに発生する誤差を指します。デジタル信号処理では、量子化はアナログ信号をデジタル信号に変換するプロセスです。量子化プロセスにより、信号の垂直解像度が低下し、量子化誤差が発生します。

次に、LSB（最下位ビット）電圧の詳細について説明します。連続電圧信号が入力されると、ADCによって量子化された後、離散点に変換されます。図でさらに説明します。下の図Aは2ビットデジタル量子化（4レベル）です。入力信号が0.75Vより大きく1.25V未満の場合は、1.0Vと判断されます。つまり、このときの最大誤差は、正の0.25V（過大評価）と負の0.25V（過小評価）に達する可能性があります。このとき、のLSBは0.5Vです。図Aの下部にあるLSB範囲図から、量子化誤差の範囲と周期的な変化を確認できます。

次に、図Bを見てみましょう。3ビットデジタル量子化（8レベル）が利用されており、入力信号が0.875Vより大きく1.125V未満の場合は1.0Vと判断されます。言い換えると、このときの最大誤差はプラス0.125V（過大評価）、マイナス0.125V（過小評価）に減少し、このときのLSBは0.25Vに減少します。

図Aと図Bのデモンストレーションから、2ビットの量子化では比較的大きな誤差が生じ、3ビットの量子化では比較的小さな誤差が生じることがわかります。量子化ビット数が多いほど、量子化の相対誤差は小さくなります。たとえば、8ビットのデジタル量子化では256レベルの解像度を実現でき、12ビットのデジタル量子化では4096レベルの解像度を実現できます。6桁半のメーターのADCは22ビットを使用しているため、非常に高い解像度を提供できます。

表1は、GDM-9061デュアル測定DMMの実際の仕様です。

表から、更新レート設定を徐々に上げると、DMMの分解能が6.5桁から5.5桁、4.5桁へと徐々に低下することがわかります。その中で、5.5桁は400/s、1.2k/s、2.4k/sの3つの更新レートに対応していることがわかります。2.4k/sは高速ですが、400/sや1.2k/sと比較すると干渉誤差が大きくなります。したがって、更新レートの選択ではこの影響を無視することはできません。更新レートの増加によって発生する干渉は主にPLC(Power Line Cycle) に関連しており、これについては後で説明します。

図Cは、分解能と測定速度の関係を示しています。縦軸は分解能で、それぞれ6桁半/5桁半/4桁半と表示され、横軸は測定速度の選択です。

上記の説明に基づくと、速度は解像度に影響し、解像度は精度に影響します。したがって、測定速度の選択は、測定対象に応じて判断する必要があります。そうすることで、最良かつ意味のある結果が得られます。

2.PLC

PLC(Power Line Cycle)とは、テストおよび測定機器で使用されるAC電源サイクルを指します(60Hz電源は16.67ms、50Hzは20ms)。AC電源のノイズ干渉は、DC電圧、電流、抵抗の測定に大きな影響を与えるためです。AC電源のノイズ干渉を減らす方法の1つは、測定サイクルを1PLCに設定して、干渉を正と負に相殺することです。

下の図Dに示すように、測定期間を1PLCの長さに設定すると、信号の合計と平均化の後、1期間内のACノイズ干渉を正と負に相殺できます(赤と青の領域は同じまま)。これにより、DC信号の測定中にACフィルターノイズを排除できます。

DMMの設定パラメータには、NPLC(電源ラインサイクル数)があり、測定サイクルをPLCの相対倍数として直接設定できるため、16.67ms(60Hz)または20ms(50Hz)のAC電源サイクルを数学的に変換する必要はありません。
以下の表2は、GDM-9061デュアル測定DMMのNPLC設定範囲です。

NPLCを12に設定すると、つまり測定期間は16.6ms x 12=200msに設定され、これは1秒あたり5サンプルに相当します。
NPLCを0.006に設定すると、つまり測定期間は16.6ms x 0.006=0.01msに設定され、これは1秒あたり10kサンプルに相当します。
NPLCが大きいほど、AC電源のノイズを抑制する効果が高く、信号の合計と平均化後の精度が高くなります。ただし、測定速度は低下します。
NPLCが小さいほど、測定速度は速くなります。NPLCが小さいほど、信号分解能が低下し、DC信号を測定するときにAC電源のノイズ干渉が多くなります。

GW InstekのDMM製品ラインでは、GDM-906xやGSM-20H10等がNPLC設定機能を備えています。製品の詳細については、下記よりご覧ください。

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GDM-906x
デュアル表示 デジタルマルチメータ

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GSM-20H10
DCソースメジャーユニット

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3.温度係数

物理世界では、すべての物質は温度によって変化し、抵抗値も温度によって変化します。温度と抵抗値の変化の比率はTCR(抵抗温度係数)と呼ばれ、単位はppm/℃です。

銅を例に挙げてみましょう。銅の抵抗温度係数は0.393%(基準温度 20℃)です。銅線セットの抵抗が100オームであると仮定します。40℃では、抵抗値は次のように計算されます。

R(T)=100(1+0.00393(40-20))=100(1+0.0786)=107.86ohms

上記の計算から、温度が 20℃上昇すると、銅部品の抵抗値が 7% 変化します。DMM はさまざまな部品で構成されており、温度は、最も単純な抵抗器から最も高度な集積回路に至るまで、機器内の各部品のパフォーマンスに影響します。もちろん、機器自体には校正および補正機能があります。温度による精度への影響を最小限に抑えるために、DMM の仕様書には、機器のウォームアップと動作温度に関する注意事項が記載されています。

表3は、GDM-8261Aデュアル測定DMMのDC測定仕様です。

最初に、DMMコンポーネントが安定した動作温度に達し、テストと測定が仕様の精度を満たすようにするために、1時間のウォームアップが必要であると記載されています。

温度範囲も表に記載されており、0℃～55℃は精度が仕様を満たすことを保証できる温度範囲です。

表からわかるように、温度は23℃±1℃、23℃±5℃、0℃～18℃/28℃～55℃ の3つの範囲に細分化されています。
下の図Eでは、オレンジ、青、灰色の矢印線を使用してそれぞれ範囲を示しています。最適な動作温度範囲は22℃～24℃です。

なお、表中の24時間/90日/1年は、機器の校正後の経過時間を示しています。時間が経つにつれて、誤差は徐々に大きくなります。仕様の精度を維持するために、機器は定期的にテスト/校正する必要があります。