Цифровой мультиметр

Цифровой мультиметр – многофункциональное электронное измерительное устройство. В перечень оцениваемых параметров входят величины: ток, напряжение, емкость конденсатора, сопротивления резисторов.

Мультиметр китайский

Из чего состоит цифровой мультиметр

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

Удосужившийся единожды вскрыть старенький аналоговый тестер, устройству мультиметра не удивится. Налицо чувствительный элемент, сдобренный изрядной порцией типичных резисторов. В старых тестерах использовались емкости для измерения номиналов конденсаторов, в сегодняшних приборах принцип действия отличается. Рассмотрим вкратце исторические конструкции, чтобы переход к новинкам не вызвал футурошок.

В основе тестера заложены принципы, использованные в 1820 году (16 сентября) Швейггером для первой конструкции гальванометра. В темах про постоянный ток, магнитную индукцию обсуждалась историческая последовательность событий. Первый прибор автор называл мультипликатором. В переводе на русский – умножителем. Эффекты множества витков проволоки складывались. Получалось физическое умножение напряженности полей на число элементарных контуров. Речь затрагивает катушку индуктивности.

Произошло все так. В начале 1820 года Ханс Эрстед обнаружил: провод с током отклоняет стрелку компаса, расположенную неподалеку. Мнения расходятся, иногда утверждается: наблюдение сделал ассистент (студент, вольный слушатель), прочие придерживаются мнения – заметил происходящее сторонний человек, случайно зашедший в помещение. Тогда было принято использовать наглядные эксперименты, завлекая аудиторию.

Педагогикой зарабатывали многие люди науки ввиду скудности государственных дотаций. Как выразился сэр Хампфри Дэви, инструктируя молодого Майкла Фарадея – избегайте бросать немедля дела: наука – скупая леди, не слишком щедро одаривает людей, увлеченных ею.

Ханс Эрстед собирался показать студентам эффект нагрева проволоки, обнаруженный двумя десятилетиями ранее. Желающие прочитают подробнее в разделе, касающемся лампочки накала. Открытие совершил упомянутый выше сэр Хампфри Дэви, учредитель Королевского научного общества (Англии) – в числе прочих учредителей. При замыкании терминалов вольтова столба (подобие современного аккумулятора) платиновая нить быстро раскалялась докрасна (в скором времени сгорала в атмосфере). На момент 1820 года неизвестно о состоявшемся изобретении лампочки накала (см. о противоречиях исторической справки в разделе про лампочки накала), следствие неоткрытого закона Джоуля-Ленца было широко известно – нить светилась под действием электрического тока.

Линии магнитного поля охватывают проволоку спиралью. Имеют круговое сечение в поперечной плоскости. В ходе демонстрации Хансом Эрстедом свойств электричества провод прошел над стрелкой компаса. За счет взаимодействия собственного и наведенного током магнитных полей последняя отклонилась. Эффект наблюдался в 1802 году, писал о нём Джованни Доменико Романьози, одинокий вопль светила науки прошел незамеченным. Ханс Эрстдед не оставил неизвестного явления, немедля разослал весть на латинском – тогда общепринятом в научной среде языке – многим ученым. Даже сделал доклад.

Позже Ампер на очередном заседании продемонстрировал новое явление, присутствующий Лаплас заметил: эффект допустимо усилить, изогнув провод. Появилась первая катушка индуктивности, которую Швейггер встроил в мультипликатор. Столь долгое вступление сделано, чтобы показать, как появился амперметр, до недавних пор выступавший основой тестера.

Амперметр постоянного тока

Как применяется мультипликатор в механических тестерах

В силу особенностей цифровой мультиметр измеряет напряжение, механический тестер – электрический ток. В катушке индуктивности поле витков усиливается, отклоняя стрелку. Напоминает опыты Эрстеда. Простой прибор послужит для разнообразных задач:

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

Опишем происходящее:

• Малый ток измеряется непосредственно. Каждый следующий предел пропускается через резистор нужного номинала. Больший ток ослабляется, малый подается почти без изменений мультипликатору (амперметр). Для переключения пределов присутствует ручка управления, перебрасывающая контактор в нужное положение. Переменный ток перед оценкой значения требуется выпрямить. Используются полный или половинный диодный мост. Выпрямленный ток пропускается через нужной величины резистор для ослабления, предел регулируется ручкой управления, результат подается мультипликатору.
• Напряжение измеряется схожим образом. Постоянное образует резистивный делитель с дополнительным сопротивлением, активной частью импеданса катушки мультипликатора. Возникает рассчитанный заранее ток, с учётом которого и проградуирована шкала прибора. Аналогично выделяется ряд пределов, переключаемых ручкой. У каждого номинала резистор индивидуальный, шкалы могут совпадать (см. надписи циферблата тестера). Переменное напряжение выпрямляется диодным мостом.
  

  Корпус мультиметра

• Для измерения емкостей используется блок конденсаторов. Измеряемый элемент включается параллельно связке, ответвляет часть тока (сеть 220 вольт 50 Гц). Мультипликатор оценивает потери, отклонение стрелки указывает на градуировку шкалы в единицах долей фарада (названа в честь Майкла Фарадея). Здесь следует обратить внимание: показания прибора будут сильно зависеть от частоты сети, амплитуды напряжения розетки.
• Номиналы резисторов измеряются с использованием встроенной батарейки (Крона). Принцип прежний: постоянное напряжение образует некий ток, значение заранее известно. Отклоняет стрелку на определенный угол, шкала проградуирована соответствующими единицами (Омы).

Как работает цифровой мультиметр

В основе цифрового мультиметра контроллер с модулем аналого-цифрового преобразователя. В микросхему (на фото залита каплей компаунда) входит блок, анализирующий размер приходящего напряжения. Отличие от описанной выше конструкции: позволяет проделывать уже упомянутые операции плюс:

Микросхема мультиметра

1. Прозванивать сопротивления, резисторы. На жаргоне электронщиков операцией обозначается процедура оценки целостности проводников, либо p-n-переходов полупроводниковых приборов. Звонок напоминает типичный зуммер, встретим в любом системном блоке персонального компьютера (см. фото). При замыкании цепи издает резкий звук. Отсюда происходит название процедуры. Зуммер молчит – оцениваемый элемент электрической цепи неисправен.
2. Аналогичным образом проверим транзисторы, но современный мультиметр припас один приятный сюрприз: многие приборы позволят измерить коэффициент усиления по току. Параметр часто обозначается греческой буквой бета, либо представлен h-параметрами, как h₂₁. Иногда сюда добавляется буква. Например, «э» означает: параметр измерен транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (наиболее часто встречающаяся в простых устройствах). Под указанные цели на фронтальной панели цифрового мультиметра имеется специальное гнездо. Целых два – для p-n-p и n-p-n-структур. Параметры полевых транзисторов оцениваются иначе, конкретика выходит за рамки статьи.
3. Максимальные изменения претерпел принцип измерения емкостей. Теперь на терминал, куда вставлены ножки элемента, подается кратковременно напряжение, затем оценивается время разряда. Напряжение конденсатора убывает по экспоненциальному закону, изучив, можно выдать оценку исследуемого параметра. Факт широко используется техникой для разных целей. Литературе чаще приводит примеры с постоянной времени RC, характеризующей параметры фильтров. Считается, за три периода равных постоянной времени, заряд теряется практически полностью.
4. Дополнительным бонусом дорогих цифровых мультиметров является измеритель температуры. Действие основано на эффекте термопары. Раз Георг сумел оценить напряжение, электроника тем паче сделает. Напряжение оценивается аналого-цифровым преобразователем, отображается в виде температуры дисплеем.

Использование мультиметра

Отличаясь от мультипликатора, оперирующего током, контроллер оценивает напряжение. Встречается чаще серия чипов 7601. Описания типичных представителей приводятся повсеместно. Смотрите видео на ютубовском канале Чип&Дип. Измерительных входов два: один для высоких напряжений. Внутри стоит компаратор, преобразующий уровень аналогового сигнала в цифровой вход. У серии 7601 несколько опорных входов внешних резисторов, конденсаторов, структурно входящих в состав таймера, генерирующего тактовые импульсы. Иногда используется встроенный, в остальных – постоянная времени задается значениями R и C.

Полученный с компаратора код разбивается на группы по тысячам, сотням, десяткам, единицам, подается на защелку (latch). Последнее выступает ячейкой памяти, способной хранить внесенную информацию. В противном случае показания на дисплее будут неустойчивы. Устройство обновляет цифры, чтобы не казалось слишком быстро человеку (порядка трех раз в секунду). Экраном управляет специальный драйвер – микросхема, формирующая сигналы свечения сегментов дисплея. Отдельной строкой идет символ минуса. Подсветка отсутствует, хотя может иметься опция.

Занимательной частью цифрового мультиметра считается переключатель режимов. Ручка, снабженная множеством контактов (см. фото), замыкающая в нужном порядке лабиринт контактных дорожек, расположенных на плате. Мало отличается от механического тестера принципом действия, несмотря на кажущуюся сложность: чередуются пассивные элементы схемы.

Переключатель режимов

После сборки прибор часто нуждается в калибровке. Для цепи измерения температуры выполняется так:

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

В процесс работы цифрового мультиметра выделение тепла с микросхемы минимальное. Типичное значение мощности рассеивания составляет доли ватта. Охлаждение прибору не требуется. Важно правильно подключать щупы. Черный является схемной землей, обозначается COM. Измерительных входов чаще два, один для больших токов. Хотя присутствует защита предохранителем (помечено меткой fused), при неправильной подаче сигнала возможен выход цифрового мультиметра из строя. Избегайте черным щупом трогать высоковольтные цепи, выполнять не предусмотренные инструкцией действия.