Цифровой мультиметр

Цифровой мультиметр – это многофункциональное электронное измерительное устройство. В перечень оцениваемых параметров могут входить такие величины, как ток, напряжение, ёмкость конденсатора, сопротивления резисторов и многое другое.

Мультиметр современный

Мультиметр современный

Из чего состоит цифровой мультиметр

Историческая справка: магнитная стрелка и катушка индуктивности в качестве измерительного прибора

Кто удосужился хотя бы единожды в своей жизни вскрыть старенький аналоговый тестер, устройству мультиметра не удивится совершенно. Фактически это чувствительный элемент, сдобренный изрядной порцией обыкновенных резисторов. В старых тестерах широко использовались ёмкости для измерения номиналов конденсаторов, но в сегодняшних приборах принцип действия несколько другой. Рассмотрим вкратце исторические конструкции, чтобы переход к новинкам не вызвал большого шока.

В основе любого тестера заложены принципы, использованные в 1820 году (16 сентября) Швейггером для самой первой конструкции гальванометра. В темах про постоянный ток, магнитную индукцию и многих других уже говорилось про историческую последовательность событий. Итак, первый прибор сам автор называл мультипликатором. То есть – в переводе на русский – умножителем. За то что эффекты многих витков проволоки складывались. Получалось как бы физическое умножение напряжённости полей на число элементарных контуров. Речь, конечно же, идёт о катушке индуктивности.

А произошло все следующим образом. В начале 1820 года Ханс Эрстед обнаружил, что провод с током отклоняет стрелку компаса, расположенную неподалёку. В этом месте мнения расходятся: есть те, кто утверждает, что наблюдение сделал ассистент, прочие придерживаются мнения, что это вовсе был сторонний человек, случайно зашедший в помещение. В то время было принято широко использовать наглядные эксперименты, чтобы завлечь аудиторию.

Дело в том, что педагогикой широко зарабатывали многие люди науки ввиду скудности государственных дотаций. Как выразился сэр Хампфри Дэви, инструктируя молодого ещё Майкла Фарадея – не нужно бросать немедля все свои дела, поскольку наука весьма скупая леди и не слишком щедро одаривает людей, увлечённых ею.

Итак, Ханс Эрстед собирался показать студентам эффект нагрева проволоки, обнаруженный примерно двумя десятилетиями ранее. Желающие могут прочесть об этом подробнее в разделе про лампочки накала. Открытие совершил ни кто иной, как упомянутый выше сэр Хампфри Дэви, бывший, к тому же, и одним из учредителей Королевского научного общества (Англии). При замыкании терминалов вольтова столба (некое подобие современного аккумулятора) платиновая нить быстро раскалялась докрасна (но в скором времени сгорала в атмосфере). На момент 1820 года нет никаких данных, была ли изобретена лампочка накала (см. о противоречиях исторической справки в разделе про лампочки накала), но следствие не открытого ещё закона Джоуля-Ленца уже было широко известно – нить светилась под действием электрического тока.

Линии магнитного поля охватывают проволоку спиралью. То есть имеют примерно круговое сечение в поперечной плоскости. В ходе демонстрации Хансом Эрстедом свойств электричества провод прошёл над стрелкой компаса. За счёт взаимодействия её собственного и наведённого током магнитных полей последняя отклонилась. Этот эффект наблюдался и ранее, в 1802 году о нем писал Джованни Доменико Романьози, но одинокий вопль светила науки не был замечен. Ханс Эрстдед же не оставил неизвестного явления и немедля разослал весть о нем на латинском – тогда общепринятом в научной среде языке – многим учёным. И даже сделал доклад.

Чуть позже Ампер на очередном заседании продемонстрировал новое явление, и присутствующий Лаплас заметил, что эффект, наверняка, можно усилить, если провод изогнуть (неизвестным ещё образом). Так появилась первая катушка индуктивности, которую Швейггер встроил в свой мультипликатор. Столь долгое вступление было сделано лишь для того, чтобы показать, как появился амперметр, которой до недавних пор был основой любого тестера.

Амперметр

Амперметр

Как применяется мультипликатор в механических тестерах

В силу своих особенностей цифровой мультиметр измеряет напряжение, а механический тестер – электрический ток. Так удобнее. В катушке индуктивности поле всех витков усиливается, и отклоняет в сторону стрелку. Совсем как в опытах Эрстеда. И этот простой прибор служит для всех разнообразных задач, а именно:

  1. Измерение напряжения.
  2. Оценка величины переменного и постоянного тока.
  3. Измерение величины активных сопротивлений и ёмкостей.

Как это происходит? Очень просто:

  • Малый ток измеряется непосредственно. Каждый следующий предел пропускается через нужного номинала резистор. Больший ток ослабляется, а малый подаётся почти без изменений на мультипликатор (амперметр). Для переключения пределов обычно служит ручка управления, перебрасывающая контактор в нужное положение. Переменный ток перед оценкой его значения нужно ещё выпрямить. Для этого используются полный или половинный диодный мост. Выпрямленный ток также пропускается через нужной величины резистор для ослабления, предел регулируется ручкой управления, результат подаётся на мультипликатор.
  • Напряжение измеряется совершенно схожим образом. Постоянное образует резистивный делитель с дополнительным сопротивлением и активной частью импеданса катушки мультипликатора. При этом возникает рассчитанный заранее ток, с учётом которого и проградуирована шкала прибора. Аналогично, имеется несколько пределов, переключаемых ручкой. У каждого номинала резистора свой, а вот шкалы могут совпадать (см. надписи на циферблате тестера). Переменное напряжение так же выпрямляется через диодный мост.

    Конструкция мультиметра

    Конструкция мультиметра

  • Для измерения ёмкостей используется блок конденсаторов. Измеряемый элемент включается параллельно их связке и ответвляет через себя часть тока (сеть 220 В 50 Гц). Мультипликатор в этом случае оценивает потери, и отклонение стрелки указывает на градуировку шкалы в единицах долей фарада (названа в честь Майкла Фарадея). Здесь следует обратить внимание, что показания прибора будут сильно зависеть от частоты сети, а также и от амплитуды напряжения в розетке.
  • Номиналы резисторов измеряются с использованием встроенной батарейки (обычно это Крона). Принцип все тот же: постоянное напряжение образует некий ток, значение которого заранее известно. Он отклоняет стрелку на определённый угол, и шкала проградуирована в соответствующих единицах (Омы).

Как работает цифровой мультиметр

В основе цифрового мультиметра находится контроллер с модулем аналого-цифрового преобразователя. В эту микросхему (на фото залита каплей компаунда) входит блок, анализирующий размер приходящего напряжения. Отличие от описанной выше конструкции в том, что конструкция позволяет проделывать не только уже упомянутые операции, но и:

Микросхема устройства

Микросхема устройства

  1. Прозванивать сопротивления и резисторы. На жаргоне электронщиков под этой операцией понимается процедура оценки целостности проводников, либо же p-n-переходов полупроводниковых приборов. Звонок напоминает собой обычный зуммер, который можно встретить в любом системном блоке персонального компьютера (см. фото). При замыкании цепи он издаёт резкий звук. Отсюда и происходит название процедуры. Если зуммер молчит, то оцениваемый элемент электрической цепи скорее всего неисправен.
  2. Аналогичным образом можно проверить и транзисторы, но современный мультиметр на этот случай припас ещё один приятный сюрприз: многие приборы позволяют измерить коэффициент усиления по току. Этот параметр часто обозначается греческой буквой бета, либо представлен в рамках h-параметров, как h Иногда сюда добавляется буква. Например, «э» означает, что параметр был измерен для транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером (наиболее часто встречающаяся в простых устройствах). Под указанные цели на фронтальной панели цифрового мультиметра имеется специальное гнездо. Даже целых два – для p-n-p и n-p-n-структур. Параметры полевых транзисторов оцениваются по-другому, но конкретика выходит за рамки данной статьи.
  3. Максимальные изменения претерпел принцип измерения ёмкостей. Теперь на терминал, куда вставлены ножки элемента, подаётся кратковременно напряжение, а затем оценивается время разряда. Напряжение на конденсаторе в этом случае убывает по экспоненциальному закону, изучив который, можно выдать оценку исследуемого параметра. Сам факт широко используется в технике для самых разных целей. В литературе чаще всего приводятся примеры с постоянной времени RC, характеризующей параметры фильтров. Считается, что за три периода равных постоянной времени, заряд теряется практически полностью.
  4. Дополнительным бонусом дорогих цифровых мультиметров является измеритель температуры. Его действие основано на эффекте термопары. Раз Георг Ом сумел оценить её напряжение, то современная электроника тем более умеет это делать. Напряжение так же оценивается аналого-цифровым преобразователем и отображается в виде температуры на дисплее.
Использование мультиметра

Использование мультиметра

В отличие от мультипликатора, где фигурирует ток, контроллер оперирует с напряжением. Часто встречается серия 7601. Описания типичных представителей приводятся повсеместно. Например, имеется видео на ютубовском канале Чип&Дип. Измерительных входов обычно два: один для высоких напряжений. А внутри находится компаратор, преобразующий уровень аналогового сигнала в цифровой вход. У серии 7601 обычно несколько опорных входов для внешних резисторов и конденсаторов, которые структурно входят в состав таймера, генерирующего тактовые импульсы. В некоторых случаях может использоваться встроенный, в остальных постоянная времени задаётся значениями R и C.

Полученный с компаратора код разбивается на группы по тысячам, сотням, десяткам и единицам, после чего подаётся на так называемую защёлку (latch). Последнее является ячейкой памяти, способной длительно хранить внесённую информацию. В противном случае показания на дисплее были бы неустойчивы. Устройство обновляет данные так, чтобы это не казалось слишком быстро для человека (порядка трёх раз в секунду). Экраном управляет специальный драйвер – микросхема, формирующая сигналы свечения тех или иных сегментов дисплея. Отдельной строкой идёт символ минуса. Подсветка зачастую отсутствует, хотя может иметься и эта опция.

Самой занимательной частью цифрового мультиметра является переключатель режимов. Это ручка с множеством контактов (см. фото), которая замыкает в нужном порядке целый лабиринт из контактных дорожек, расположенных на плате. Фактически это мало чем отличается от механического тестера по принципу действия, несмотря на кажущуюся сложность: чередуются пассивные элементы схемы.

Переключатель режимов

Переключатель режимов

После сборки прибор часто нуждается в калибровке. Для цепи измерения температуры это делаются следующим образом:

  1. Помещают термопару в смесь холодной воды со льдом температурой 0 градусов Цельсия и добиваются подстройкой потенциометра нижнего предела (низковольтный вход) соответствующих показаний на табло.
  2. Затем датчик нагревается до ста градусов, и регулируется верхний предел. До тех пор, пока на дисплее не появится нужное значение.

В процесс работы цифрового мультиметра выделение тепла с микросхемы минимальное. Типичное значение мощности рассеивания составляет доли ватта. По этой причине охлаждение прибору не требуется. Очень важно правильно подключать щупы. Чёрный обычно является схемной землёй и обозначается как COM. А измерительных входов чаще всего два, один из них для больших токов. Несмотря на то, что присутствует защита предохранителем (что помечено меткой fused), при неправильной подаче сигнала возможен выход цифрового мультиметра из строя. Не стоит черным щупом трогать высоковольтные цепи и осуществлять прочие не предусмотренные инструкцией действия.