เนื้อหาวันที่ : 2011-09-07 18:03:59 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 6521 views

เครื่องวัดสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรงระดับต่ำ

การวัดสัญญาณไฟฟ้าระดับต่ำที่มีแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์สูงมาก ๆ มีความสำคัญต่อการศึกษาวิจัยต่าง ๆ มากมาย เนื่องจากสัญญาณไฟฟ้าที่ออกจากเซนเซอร์ของอุปกรณ์เหล่านี้มีระดับสัญญาณต่ำมาก ๆ

ดร. พานิช อินต๊ะ


          ในบทความฉบับนี้จะนำเสนอเครื่องวัดสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรงระดับต่ำ (Low Level DC Measuring Instruments) การวัดสัญญาณไฟฟ้าระดับต่ำที่มีแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์สูงมาก ๆ มีความสำคัญต่อการศึกษาวิจัยต่าง ๆ มากมาย เช่น เครื่องวิเคราะห์มวล (Mass Spectrometer) เครื่องเร่งอนุภาค (Particle Accelerators) การวัดละอองลอย (Aerosol Measurement) และการวิจัยเกี่ยวกับบรรยากาศ (Atmospheric Research) เนื่องจากสัญญาณไฟฟ้าที่ออกจากเซนเซอร์ของอุปกรณ์เหล่านี้มีระดับสัญญาณต่ำมาก ๆ อยู่ในช่วง 10-6 ต่ำลงไปถึง 10-12 V หรือ A

          โดยปกติทั่วไปสัญญาณทางไฟฟ้า เช่น แรงดัน กระแส และความต้านทานมักจะถูกวัดด้วยดิจิตอลมัลติมิเตอร์ (Digital Multi-meter, DMM) ซึ่งเครื่องวัดนี้เหมาะสำหรับการวัดสัญญาณทางไฟฟ้าที่มีระดับสัญญาณสูงกว่า 1 V หรือ 1 A หรือ ต่ำกว่า 1 G จึงทำให้เครื่องวัดนี้ไม่เหมาะสำหรับการวัดสัญญาณไฟฟ้าระดับต่ำ เนื่องจากความไว (Sensitivity) ของเครื่องวัดนี้ยังไม่ใกล้เคียงกับเขตจำกัดการวัดทางทฤษฏี  (Theoretical Measurement Limit) ดังนั้นเครื่องวัดที่มีความไวในการวัดสูง เช่น อิเล็กโทรมิเตอร์ (Electrometer) พิโคแอมป์มิเตอร์ (Picoammeter) และนาโนโวลต์มิเตอร์ (Nanovoltmeter) และหน่วยการวัดแหล่งจ่าย (Source-measurement Unit, SMU) จึงมีความจำเป็นและถูกนำมาใช้ในการวิจัยดังกล่าว

เขตจำกัดการวัดทางทฤษฏี
          เขตจำกัดการวัดทางทฤษฏี (Theoretical Measurement Limit) จะขึ้นอยู่กับสัญญาณรบกวน (Noise) ที่ถูกสร้างขึ้นโดยความต้านทานในวงจรและความต้านทานของแหล่งจ่าย (Source Resistance) ปกติแล้วแรงดันรบกวน (Voltage Noise) จะเป็นสัดส่วนกับรากที่สองของความต้านทาน (Resistance) แบนด์ความกว้าง (Bandwidth) และอุณหภูมิสัมบูรณ์ (Absolute Temperature) รูปที่ 1 แสดงเขตจำกัดการวัดแรงดันทางทฤษฏีที่อุณหภูมิห้อง ด้วยเวลาการตอบสนอง 0.1 วินาที ถึง 10 วินาที จากรูปจะเห็นว่าค่าความต้านทานของแหล่งจ่ายที่สูงจะเป็นตัวจำกัดความไวทางทฤษฏีของการวัดแรงดันไฟฟ้า

ซึ่งหมายความว่ามีความเป็นไปได้อย่างแน่นนอนที่จะวัดสัญญาณ 1 V ที่มีความต้านทานของแหล่งจ่ายเท่ากับ 1  แต่เป็นไปไม่ได้ที่จะวัดสัญญาณที่ระดับเดียวกันคือ 1 V จากแหล่งจ่ายที่มีความต้านทาน 1 T ได้ ถึงแม้ว่าความต้านทานของแหล่งจ่ายจะต่ำกว่า 1 M การวัดสัญญาณ 1 V ก็จะอยู่ในเขตจำกัดใกล้ทฤษฏี (Near Theoretical Limits) จึงทำให้ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ปกติทั่วไปไม่สามารถวัดสัญญาณที่ระดับใกล้กับเขตจำกัดการวัดทางทฤษฏีได้ เนื่องจากดิจิตอลมัลติมิเตอร์จะมีแรงดันตกอินพุตสูง และมีการแยกชัด ต่ำกว่า 1 nA ซึ่งจะส่งผลให้การวัดสัญญาณในระดับต่ำมีความผิดพลาด

ดังนั้น อิเล็กโตรมิเตอร์ หรือ พิโคแอมมิเตอร์ ที่มีแรงดันตกอินพุตต่ำกว่า และมีการแยกชัดสูงกว่าจะสามารถทำงานที่ระดับใกล้กับเขตจำกัดทางทฤษฏีของการวัดสัญญาณระดับต่ำได้ดีกว่า รูปที่ 2 และ 3 แสดงการเปรียบเทียบความสามารถในการวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าของเครื่องมือวัดต่าง ๆ

รูปที่ 1 เขตจำกัดการวัดแรงดันทางทฤษฏี

รูปที่ 2 การเปรียบเทียบความสามารถในการวัดกระแสไฟฟ้าของเครื่องมือวัดต่าง ๆ

รูปที่ 3 การเปรียบเทียบความสามารถในการวัดแรงดันไฟฟ้าของเครื่องมือวัดต่าง ๆ

เครื่องมือวัดสัญญาณไฟฟ้าระดับต่ำ
          ในปัจจุบันนี้มีเครื่องมือวัดอยู่หลายชนิดที่สามารถวัดสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรงระดับต่ำได้ ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรมิเตอร์ พิโคแอมมิเตอร์ นาโนโวลต์มิเตอร์ และหน่วยการวัดแหล่งจ่าย ในหัวข้อต่อไปจะอธิบายและเปรียบเทียบคุณสมบัติที่สำคัญของเครื่องมือวัดเหล่านี้

1. อิเล็กโทรมิเตอร์
          อิเล็กโทรมิเตอร์เป็นมัลติมิเตอร์กระแสตรงที่มีความละเอียดสูง (Highly Refined DC Multimeter) สามารถวัดแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า ความต้านทาน และประจุไฟฟ้า อิเล็กโทรมิเตอร์มีค่าอิมพีแดนซ์ทางด้านอินพุต (Input Impedance) สูงมาก ปกติจะอยู่ที่ประมาณ 100 T (1014 ) จึงทำให้อิเล็กโทรมิเตอร์เหมาะสำหรับการวัดวงจรที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงหรือกระแสไฟฟ้าระดับต่ำมาก ๆ เพราะถูกออกแบบให้มีกระแสอินพุตออฟเซตต่ำ (Low Input Offset Current) การขยับเลื่อนต่ำ (Low Drift) และกระแสรบกวนต่ำ (Low Current Noise) การแสดงผลของอิเล็กโทรมิเตอร์สามารถแสดงได้ทั้งแบบดิจิตอล (Digital) และอะนาลอก (Analog) รูปที่ 4 แสดงดิจิตอลอิเล็กโทรมิเตอร์ของ Keithley โมเดล 6517A
 

รูปที่ 4 อิเล็กโทรมิเตอร์ของ Keithley โมเดล 6517A

          ในฟังก์ชันการทำงานของโวลต์มิเตอร์และโอห์มมิเตอร์ สิ่งที่สำคัญมากที่สุดคือความต้านทานทางด้านอินพุตและกระแสออฟเซตอินพุต การแสออฟเซตอินพุตเป็นกระแสที่เคลื่อนตัวโดยที่อินพุตที่ไม่มีแหล่งจ่ายสัญญาณกระแส ปกติแล้วจะน้อยกว่า 50 fA (5 x 10-14 A) สำหรับการวัดแรงดันไฟฟ้าอิเล็กโทรมิเตอร์มีความต้านทานทางด้านอินพุตสูงมาก ๆ และมีกระแสออฟเซตต่ำมาก ๆ ซึ่งหมายความว่าผลของภาระวงจร (Circuit-loading Effect) จะน้อยมาก ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรมิเตอร์สามารถวัดแรงดันที่ผ่านตัวเก็บประจุขนาด 500 pF ได้โดยที่ไม่เกิดการคลายประจุ (Discharging) ในฟังก์ชันของโอห์มมิเตอร์ความต้านทานอินพุตที่สูงทำให้อิเล็กโทรมิเตอร์สามารถวัดความต้านทานได้สูงถึง 100 T

          ในฟังก์ชั่นของแอมมิเตอร์ อิเล็กโทรมิเตอร์มีแรงดันตกทางด้านอินพุต (Voltage Burden) น้อยมาก ๆ แรงดันตกและกระแสออฟเซตมีความสำคัญสำหรับการวัดกระแสระดับต่ำมาก อิเล็กโทรมิเตอร์สามารถวัดกระแสได้ต่ำถึง 1 fA (10-15 A) ซึ่งกระแสในช่วงนี้จะพบในกระบวนการของการสอบเทียบ (Calibrating) ตัวตรวจวัดการฉายรังสี (Radiation Detector) อิเล็กโทรมิเตอร์ยังสามารถวัดประจุที่เกิดจากการรวมตัวของกระแสไฟฟ้าได้อีกด้วย

          การวัดแหล่งจ่ายที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูงมาก ๆ หรือสัญญาณระดับต่ำจำเป็นต้องใช้เทคนิควิธีการเฉพาะที่หาไม่ได้ในดิจิตอลมัลติมิเตอร์โดยทั่วไป หนึ่งในเทคนิคเหล่านี้คือ การป้องกัน (Guarding) เป็นวิธีการลดกระแสรั่ว (Leakage Current) และผลของคาปาซิแตนซ์ทางด้านอินพุต (Input Capacitance Effects)

สำหรับการวัดแรงดันที่มีค่าอิมพีแดนซ์สูง แรงดันที่ไม่รู้ค่า (Unknown Voltage) จะถูกต่อเข้ากับจุดต่อที่มีอิมพีแดนซ์สูงบนอิเล็กโทรมิเตอร์ผ่านสายสัญญาณแบบ 3 แกนร่วม (Triax Cable) เพื่อหลีกเลี่ยงเส้นทางกระแสรั่ว (Leakage-current Paths) ที่เกิดขึ้นกับหัววัดสัญญาณ อิเล็กโทรมิเตอร์ให้เอาต์พุตอะนาลอก x1 ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของแรงดันอิมพีแดนซ์ต่ำ (Low-impedance Voltage) นั้นถือว่าเป็นแรงดันอินพุต

โดยการเชื่อมต่อการป้องกันเข้ากับซีลด์ด้านใน (Inner Shield) ของสายสัญญาณแบบ 3 แกนร่วม กระแสรั่วจะถูกกำจัดเกือบหมด เพราะว่าซีลด์ด้านในและแรงดันที่ถูกวัดมีศักย์ไฟฟ้าเดียวกัน ซีลด์ด้านนอกสุด (Outer Shield) จะถูกต่อเข้ากับกราวด์ กระแสรั่วระหว่างซีลด์ถูกจ่ายโดยแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์ต่ำค่อนข้างมากกว่าแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์สูงที่ถูกวัด รูปที่ 5 แสดงการป้องกัน เมื่อ RS คืออิมพีแดนช์แหล่งจ่ายสูงของทรานสดิวเซอร์ (Transducer)

(ก) วงจรที่ไม่มีการป้องกัน (Unguarded Circuit)

(ข) วงจรที่มีการป้องกัน (Guarded Circuit)

รูปที่ 5 การเปรียบเทียบของแหล่งจ่ายที่ไม่มีการป้องกัน และมีการป้องกัน

          อิเล็กโทรมิเตอร์ยังมีวิธีการปรับออฟเซตศูนย์ (Zero Offset) และการขยับเลื่อนที่เกิดขึ้นกับเครื่องมือวัดอิมพีแดนซ์สูงมาก ๆ ออฟเซตศูนย์คือการที่เครื่องมือวัดอ่านค่าโดยไม่มีสัญญาณอินพุต ออฟเซตศูนย์สามารถสร้างขึ้นกับเครื่องมือวัดหรือในแหล่งจ่ายและสามารถเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องมือวัดโดยหลายวิธีการ การขยับเลื่อนศูนย์เป็นการเปลี่ยนแปลงของออฟเซตศูนย์ที่ไม่มีสัญญาณอินพุต ซึ่งการขยับเลื่อนศูนย์อาจถูกระบุให้เป็นฟังก์ชันของทั้งเวลาและอุณหภูมิโดยโรงงานผู้ผลิตเครื่องมือวัด สัญญาณอินพุตถูกตัดออกจากสวิตช์เช็คศูนย์ (zero-check Switch) และการควบคุมการปรับศูนย์ที่ป้ายด้านหน้า (Front-panel Zeroing Control) ถูกปรับให้ออฟเซตน้อยที่สุด

2.  พิโคแอมมิเตอร์ 
          พิโคแอมมิเตอร์คือแอมมิเตอร์ที่มีความไวเหมาะสำหรับการวัดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กมาก ๆ ปกติจะมีความไวน้อยกว่าอิเล็กโทรมิเตอร์ แต่พิโคแอมมิเตอร์ถูกออกแบบให้มีแรงดันตกทางด้านอินพุตต่ำกว่า มีความเร็วสูงกว่า และราคาถูกกว่า ดิจิตอลพิโคแอมมิเตอร์สามารถวัดกระแสไฟฟ้าในช่วงต่ำถึง 0.1 pA การแสดงผลของพิโคแอมมิเตอร์มีทั้งแบบแสดงผลแบบดิจิตอลและสามารถเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องคอมพิวเตอร์สำหรับการบันทึกข้อมูลแบบอัตโนมัติ รูปที่ 6 แสดงพิโคแอมมิเตอร์ของ Keithley โมเดล 486

รูปที่ 6 พิโคแอมมิเตอร์ของ Keithley โมเดล 486

3. นาโนโวลต์มิเตอร์
          นาโนโวลต์มิเตอร์คือโวลต์มิเตอร์ที่มีความไวสูงเหมาะสำหรับวัดแรงดันขนาดเล็กมาก ๆ จากอิมพีแดนซ์แหล่งจ่ายต่ำ (Low-source Impedances) ที่ตรงข้ามกับแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์สูงสำหรับอิเล็กโทรมิเตอร์ นาโนโวลต์มิเตอร์สามารถใช้วัดแรงดันได้ต่ำถึง 1 nV อิมพีแดนซ์อินพุตของนาโนโวลต์มิเตอร์จะดีกว่าดิจิตอลมัลติมิเตอร์แต่ต่ำกว่าอิเล็กโทรมิเตอร์ แต่นาโนโวลต์มิเตอร์มีแรงดันรบกวนต่ำกว่าอิเล็กโทรมิเตอร์ และมีราคาถูกกว่าเพราะมีการทำงานไม่ซับซ้อน รูปที่ 7 แสดงนาโนโวลต์มิเตอร์ของ Keithley โมเดล 2182

รูปที่ 7 นาโนโวลต์มิเตอร์ของ Keithley โมเดล 2182

4. หน่วยการวัดแหล่งจ่าย 
          หน่วยการวัดแหล่งจ่ายเป็นเครื่องมือวัดที่สามารถจ่ายแรงดันและวัดกระแส หรือจ่ายกระแสและวัดแรงดันในเวลาเดียวกันได้ หน่วยการวัดแหล่งจ่ายประกอบด้วยเครื่องมือวัด 4 เครื่องในเครื่องเดียว คือ อิเล็กโทรมิเตอร์ ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ แหล่งจ่ายกระแส และแหล่งจ่ายแรงดัน การรวมกันของเครื่องมือวัดเหล่านี้ขจัดปัญหาเกี่ยวกับการติดตั้ง และการเชื่อมต่อสายระหว่างเครื่องมือวัดเหล่านี้ ซึ่งเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นกับเครื่องมือวัดที่มีความไวสูง หน่วยการวัดแหล่งจ่ายมีการนำไปใช้ในการทดสอบอัตโนมัติและในการทดสอบอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Device) รูปที่ 8 แสดงหน่วยการวัดแหล่งจ่ายของ Keithley โมเดล 236

รูปที่ 8 หน่วยการวัดแหล่งจ่ายของ Keithley โมเดล 236

บทสรุป
          ในบทความฉบับนี้ได้นำเสนอเครื่องมือวัดสัญญาณทางไฟฟ้าระดับต่ำ สำหรับการวัดสัญญาณทางไฟฟ้าที่มีระดับสัญญาณอยู่ในช่วง 10-6 ถึง 10-12 V หรือ A และมีแหล่งจ่ายอิมพีแดนซ์สูงถึง 100 T โดยเครื่องมือวัดที่กล่าวถึงในบทความฉบับนี้จะประกอบด้วย อิเล็กโทรมิเตอร์ พิโคแอมมิเตอร์ นาโนโวลต์มิเตอร์ และหน่วยการวัดแหล่งจ่าย ซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเครื่องวิเคราะห์มวล เครื่องเร่งอนุภาค การวัดละอองลอย และการวิจัยเกี่ยวกับบรรยากาศ

เอกสารอ้างอิง
          1. Buchla, D. and McLachlan, W., “Applied electronic instrumentation and measurement”, Macmillan Publishing Company, New York, 1992.
          2. Doebelin, E.O., “Measurement systems: application and design”, McGraw-Hill, Singapore, 2003.
          3. Keithley Instrument Inc, Electrometer model 6517A data sheet, 2006.
          4. Keithley Instrument Inc, Picoammeter model 486 data sheet, 2006.
          5. Keithley Instrument Inc, Nanovoltmeter model 2182 data sheet, 2006.
          6. Keithley Instrument Inc, Source-meter unit model 286 data sheet, 2006.
          7. “Low level measurement”, 5th ed., Keithley Instruments Inc.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด