Понимание того, как работает цифровой мультиметр, поможет вам максимально использовать его преимущества и свести к минимуму влияние его недостатков.
При использовании цифрового мультиметра полезно иметь представление о том, как работает измерительный прибор. Таким образом, можно извлечь из него наилучшую пользу — понять, как работает цифровой мультиметр, сделать возможным выбор наилучших настроек и т. д.
Ввиду использования цифровой технологии, а не аналоговых циферблатов, цифровой мультиметр работает совершенно иначе, чем старые аналоговые мультиметры. В цифровых мультиметрах используется технология аналого-цифрового преобразователя, а также они могут обеспечить гораздо больше возможностей измерения, поскольку добавление дополнительных измерений в базовую ИС не приводит к значительному увеличению стоимости.
Основными измерениями, выполняемыми любым мультиметром, являются амперы, вольты и омы (сопротивление), и многие цифровые мультиметры обеспечивают множество других измерений, включая емкость, сопротивление транзистора, зуммер непрерывности, температуру и т. д., в зависимости от конкретного измерительного прибора.
Как работает цифровой мультиметр — основы
При рассмотрении того, как работает цифровой мультиметр, необходимо понимать основные технологии, которые обычно используются.
Для цифрового мультиметра одним из ключевых процессов, связанных с этим, является аналого-цифровое преобразование.
Есть много форм аналого-цифрового преобразователя, АЦП. Однако тот, который наиболее широко используется в цифровых мультиметрах, DMM известен как регистр последовательного приближения или SAR.
Некоторые АЦП последовательного приближения могут иметь уровень разрешения только 12 бит, но те, которые используются в тестовом оборудовании, включая цифровые мультиметры, обычно имеют 16 бит или, возможно, больше, в зависимости от приложения.
Обычно для цифровых мультиметров обычно используются уровни разрешения 16 бит со скоростью 100 тыс. отсчетов в секунду. Эти уровни скорости более чем достаточны для большинства приложений цифрового мультиметра, где обычно не требуются высокие уровни скорости. Как правило, для большинства стендовых или общих контрольно-измерительных приборов измерения необходимо проводить с максимальной скоростью несколько секунд в секунду, возможно десять в секунду.
Как следует из названия, регистр последовательного приближения АЦП работает путем последовательного определения значения входного напряжения. Первый этап процесса заключается в том, что схема выборки и удержания производит выборку напряжения на входе цифрового мультиметра, а затем удерживает его на постоянном уровне.
При постоянном входном напряжении регистр начинается с половины значения полной шкалы. Обычно для этого требуется самый старший бит, MSB установлен в «1», а все остальные установлены в «0». Предполагая, что входное напряжение может находиться где угодно в диапазоне, средний диапазон означает, что АЦП устанавливается в середине диапазона, что обеспечивает меньшее время установления. Поскольку он должен перемещать только максимум полной шкалы, а не 100%.
Чтобы увидеть, как это работает, возьмем простой пример 4-битного SAR. Его выход будет начинаться с 1000. Если напряжение меньше половины максимальной емкости, выходной сигнал компаратора будет низким, и это заставит регистр установить уровень 0100. Если напряжение выше этого, регистр переместится на 0110, и так далее, пока не будет найдено ближайшее значение. Можно видеть, что преобразователям SAR требуется один аппроксимирующий цикл для каждого выходного бита, т.е. n-разрядный АЦП потребует n циклов.
Работа цифрового мультиметра
Хотя аналого-цифровой преобразователь является ключевым элементом измерительного прибора, чтобы полностью понять, как работает цифровой мультиметр, необходимо рассмотреть некоторые другие функции аналого-цифрового преобразователя, АЦП. Хотя АЦП берет очень много выборок, общий цифровой мультиметр не будет отображать или возвращать каждую взятую выборку. Вместо этого образцы буферизируются и «усредняются» для достижения высокой точности и разрешения.
Буферизация и «усреднение» позволяют преодолеть влияние небольших изменений, таких как шум и т. д. Шум, создаваемый аналоговыми первыми каскадами цифрового мультиметра, является важным фактором, который необходимо преодолеть для достижения максимальной точности.
Основное измерение, которое выполняется, — это измерение напряжения — аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговое напряжение в цифровой формат, чтобы его можно было обработать схемой обработки. Для измерения больших напряжений на входе АЦП могут быть выполнены делители напряжения. Это может привести к тому, что входное напряжение попадет в диапазон АЦП.
Точно так же измерения тока могут быть выполнены путем контроля напряжения на известном резисторе. Таким образом, в цифровом мультиметре используются методы измерения, очень похожие на методы измерения аналогового измерителя, в которых используются последовательные резисторы и параллельные шунты.
Для измерения сопротивления требуется несколько иной подход, часто измеряя напряжение на резисторе через известное сопротивление по стабилизированному напряжению в измерителе.
Одним из других элементов цифрового мультиметра является дисплей. Вместо аналогового панельного измерителя в цифровых мультиметрах используется цифровой дисплей. Обычно это жидкокристаллический дисплей, поэтому будьте осторожны при использовании его на улице, если становится холодно, так как жидкокристаллические дисплеи не работают при температуре ниже 0°C.
Обычно дисплеи относительно большие, и все цифры можно легко увидеть. В темноте цифры могут быть труднее увидеть, но некоторые цифровые мультиметры имеют подсветку, обеспечивающую дополнительный свет в этих обстоятельствах.
Время измерения
Одна из ключевых областей понимания того, как работает цифровой мультиметр, связана со временем измерения. Помимо основного измерения, есть ряд других необходимых функций, и все они требуют немного времени. Соответственно, время измерения цифрового мультиметра, DMM, не всегда может показаться простым.
Всегда лучше дать цифровому мультиметру время для стабилизации, хотя в большинстве случаев скорость, с которой выполняются измерения, очень высока и не будет беспокоить ручного пользователя. Если используются цифровые мультиметры с компьютерным управлением, для этого может потребоваться добавить в программу немного дополнительного времени. Эти автоматические цифровые мультиметры, как правило, представляют собой настольные коробки, а не ручные ручные.
Общее время измерения цифрового мультиметра состоит из нескольких фаз, на которых выполняются различные действия:
- Время переключения: ремя переключения — это время, необходимое прибору для стабилизации после переключения входа. Сюда входит время установления после изменения типа измерения, например, с напряжения на сопротивление и т. д. Сюда также входит время установления после изменения диапазона. Если автоматическое определение диапазона включено, измеритель должен будет выполнить настройку, если требуется изменение диапазона.
- Время установления: После того, как измеряемое значение будет подано на вход, для его установления потребуется определенное время. Это позволит преодолеть любые уровни входной емкости при проведении испытаний с высоким импедансом или, как правило, для стабилизации схемы и прибора.Часто будет видно, что счетчик точно соответствует окончательным показаниям. Это не является чем-то необычным, и необходимо дать время, чтобы счетчик установился и были получены устойчивые показания.
- Время измерения сигнала: это основное время, необходимое для проведения самого измерения. Для измерений переменного тока необходимо учитывать рабочую частоту, поскольку минимальное время измерения сигнала основано на минимальной частоте, необходимой для измерения. Например, для минимальной частоты 50 Гц требуется апертура, в четыре раза превышающая период, т. е. 80 мс для сигнала 50 Гц или 67 мс для сигнала 60 Гц и т. д.
- Автоматическое обнуление времени: некоторые цифровые счетчики, как правило, цифровые мультиметры более высокого класса, имеют функцию, известную как автоматическое определение диапазона. При использовании в этом режиме необходимо только выбрать тип проводимого измерения: ампер постоянного тока, ампер переменного тока; напряжение постоянного тока; Напряжение переменного тока и т. д. Помимо этого, измеритель самостоятельно установит диапазон в соответствии с входным напряжением.Когда выбран автоматический выбор диапазона или производится изменение диапазона, необходимо обнулить измеритель, чтобы обеспечить точность. Как только выбран правильный диапазон, автообнуление выполняется для этого диапазона. Хотя обычно он довольно короткий, в некоторых случаях его можно заметить.
- Время калибровки АЦП: В некоторых цифровых мультиметрах периодически выполняется калибровка. Это необходимо учитывать, особенно если измерения проводятся под автоматическим или компьютерным управлением.
Концепция работы цифрового мультиметра относительно проста, но можно понять, что измерение переменных сигналов или прерывистых напряжений может дать необычные результаты. Также важно правильно выбрать время, в течение которого можно проводить измерения. Понимание того, как работает цифровой мультиметр, позволяет принимать более обоснованные решения, подобные этим и другим, при использовании цифрового мультиметра.