Структура цифрового мультиметра

Цифровые мультиметры (ЦМ) - Digital MultiMeter (DMM) - это многофункциональные измерительные приборы, специально предназначенные в основном для статических измерений несколь­ких электрических (например, переменных и постоянных напря­жений и токов, сопротивления, частоты) и неэлектрических (на­пример, температуры) величин.

Автономный миниатюрный ЦМ в настоящее время, пожалуй, самый распространенный (и любимый измерителями) инструмент, широко применяемый в различных измерительных эксперимен­тах в электрических цепях и установках низкого (до 1000 В) на­пряжения.

Структура ЦМ подобна структуре любого ЦИП. Разница лишь в наличии на входе прибора нескольких специальных преобразо­вателей конкретных входных физических величин. На рис. 75 по­казана упрощенная структура ЦМ с минимальным набором изме­ряемых величин: постоянных (DC - Direct Current) и переменных (АС - Alternating Current) напряжений и токов, а также сопро­тивления R. Входные измеряемые величины в любом случае снача­ла преобразуются в пропорциональное напряжение постоянного тока, которое поступает на вход АЦП, где и преобразуется в код.

Структура содержит уже знакомые нам узлы: АЦП (как прави­ло, интегрирующего типа), микроконтроллер (МК), клавиатуру и индикатор. Во входных цепях стоят следующие аналоговые преоб­разователи:

• U _/ U _ - постоянного напряжения в постоянное (усилитель иделитель);

• U_~/ U_~ -переменного напряжения в переменное (усилитель, трансформатор, частотонезависимый делитель);

• U_~/U_ -переменного напряжения в постоянное (выпрями­тель);

• R/U_ - сопротивления в постоянное напряжение.

Конкретный режим измерения определяется положениями пе­реключателей: SW1, SW2 и SW3. При измерении напряжений пе­реключатель SW3 разомкнут, а переключатели SW1 и SW2 уста­навливаются в верхнее (при постоянном входном напряжении) или в среднее (при переменном входном напряжении) положение. Для измерения сопротивления включается преобразователь сопро­тивления в постоянное напряжение R/U_ (переключатели SW1 и SW2 установлены в нижнем положении, а переключатель SW3 разомкнут).

Рис. 75. Упрощенная структура ЦМ

В режиме измерения тока используется внутренний шунт (точ­ный резистор малого сопротивления R _ш). При этом переключа­тель SW3 замкнут и измеряемый ток, протекая по резистору R _ш создает пропорциональное току падение напряжения. Если вход­ной ток постоянный, то переключатели SW1 и SW2 устанавли­ваются в верхнее положение. Если же входной ток переменный, то переключатели SW1 и SW2 устанавливаются в среднее по­ложение.

Структура ЦМ может содержать узел интерфейсной связи с внешними устройствами.

Как и многие другие ЦИП, современные ЦМ можно разделить на две группы (количественно и качественно сильно различающи­еся):

• автономные - сравнительно простые, дешевые, малогабарит­ные и массовые приборы для экспресс-измерений;

• системные - сложные, прецизионные, или быстродействую­щие, дорогостоящие приборы, предназначенные для работы в со­ставе различных измерительно-вычислительных систем и (или) си­стем управления.

В настоящее время в практике технических измерений наиболее распространены ЦМ первой группы - компактные (Hand-Held - удерживаемые в ладони) и миниатюрные (Pocket Size - карман­ного формата) мультиметры, которые очень хорошо отвечают тре­бованиям, предъявляемым к переносным приборам для экспресс-измерений. Они имеют малые габаритные размеры и массу; обеспе­чивают возможность измерения нескольких различных величин в широких диапазонах их изменений; имеют вполне удовлетворитель­ные точность и чувствительность. У этих приборов хорошие эксплу­атационные характеристики, автономное питание, они надежны, удобны и просты в обращении. Большинство современных ЦМ обес­печивает автоматический выбор полярности и диапазона измерения.

Типичный набор измеряемых мультиметрами широкого при­менения величин включает постоянные и переменные напряже­ния, постоянные и переменные токи, сопротивление постоянно­му току. Диапазоны основных измеряемых величин таковы:

• напряжения (постоянного и переменного тока) - от долей
милливольта до киловольта;

• токи (без внешних шунтов или трансформаторов токов) - от десятков миллиампер до десяти ампер;

• сопротивления - от долей ома до десятков мегаом.

Некоторые модели имеют дополнительные возможности, на­пример, измерение температуры с помощью стандартных термо­пар; измерение электрической емкости; измерение частоты и скваж­ности периодического сигнала; режим проверки полупроводнико­вых приборов; режим «прозвонки» цепей и др.

Классы точности разных моделей ЦМ (как и других ЦИП) в общем случае могут быть заданы по-разному. Как правило, ис­пользуются предельные значения основных абсолютных и отно­сительных погрешностей. Классы точности обычных ЦМ лежат в диапазоне от 0,1 до 5,0 % (в зависимости от возможностей, из­меряемых параметров, диапазонов, стоимости прибора). Разре­шающая способность R: от 1:200 до 1:20 000. Масса приборов: 100 г... 1 кг.