2.3.3 Цифровые мультиметры

Цифровые мультиметры сегодня чрезвычайно популярны. Эти измерительные приборы с автономным питанием, несмотря на свои малые габариты, много функциональны и способны измерять не только силутока, напряжение, сопротивление, емкость, частоту, индуктивность, температуру, отношение сигналов и другие параметры, а также осуществлять прозвон и проверку диодов (p-n переходов). Новое поколение мультиметров отличает высокая степень интеллектуальности, точности, надежности и прочности.

Мультиметр имеет несложную конструкцию, технология его сборки проста, что и обеспечивает его невысокую цену. Как видно из упрощенной блокксхемы (рис.1), сердцем мультиметра является микросхема АЦП. Входной сигнал с измерительных щупов в зависимости от своего типа поступает либо на устройство предварительной обработки сигналов переменного или постоянного тока, либо омического сигнала. Каждое устройство предварительной обработки может содержать усилитель, делитель, схему защиты от высокого напряжения и фильтр. В режиме измерения сопротивления от источника тока подается тестовый ток в устройство обработки омического сигнала, куда подводится также падение напряжения на неизвестном резисторе между щупами. Этот режим может включать и прозвон проводника между щупами. Сформированные сигналы через переключатель поступают на АЦП. При этом в цепи переменного тока AC/DCCконвертор превращает сигнал переменного тока в измеряемый сигнал постоянного тока, который может быть преобразован в цифровую форму. Измеряемые цифровые величины обрабатываются в микропроцессоре в соответствии с выбранным режимом измерения и требуемым форматом для дисплея (как правило, ЖК).

Рис.1. Типовая архитектура цифрового мультиметра

В типовой архитектуре цифрового мультиметра возможны различные варианты решений без отклонения от основного принципа работы. Например, прозвон часто индицируется звуковым сигналом, результаты измерения передаются на ПК с помощью интерфейса.

Многие современные модели мультиметров оснащены функцией автоматического тестирования полупроводниковых диодов, которая выполняется независимо от ориентации диода относительно измерительных щупов. Для этого в схему вводится источник напряжения переменного тока (чаще синусоидальной формы) известной амплитуды и частоты. Это напряжение с помощью щупов подводится к выводам диода, а падение напряжения на диоде поступает как тестовый сигнал на АЦП и далее в микропроцессор и на дисплей (рис.2).

Рис.2. Типовая блок-схема тестирования диода

Переносные мультиметры нового поколения созданы прежде всего для проведения измерений в полевых условиях, однако могут с успехом использоваться в лабораторных и стендовых испытаниях. Они способны проводить измерения в реальном времени и одновременно представлять различные результаты на ЖК-дисплее. Дисплеи практически мгновенно выходят на режим и выдают результаты на экран. В зависимости от сложности измерений дисплеи могут иметь заднюю подсветку, два дисплея, например первичный со счетом результатов до 40 000 (фирма АРРА) и вторичный со счетом до 4000, аналоговую многосегментную шкалу, имитирующую стрелочный индикатор. Вывод результатов измерений возможен как в абсолютных, так и в относительных значениях (дБ, дБм, дБВ).

Благодаря встроенной памяти мультиметры могут подолгу хранить результаты измерений. Теперь они способны выполнять регистрацию минимальных, максимальных и усредненных значений во временном интервале от нескольких секунд до нескольких дней. Важно, что многие мультиметры имеют режим автоматической фиксации данных, при котором данные фиксируются на дисплее для дальнейшего их анализа. Причем это часто сопровождается звуковым сигналом, что неоценимо, когда пользователь занят измерениями в труднодоступных местах или в условиях повышенной опасности. В подобных ситуациях результаты на дисплее обновляются при каждом новом замере.

В приборах, в зависимости от степени их интеллектуальности, выбор режима работы, пределов измерения и выполнение ряда других функций может быть ручным или автоматическим. В мультиметрах, как и в большинстве современных цифровых приборов, для анализа результатов измерений может использоваться дополнительное ПО.

Приборы способны противостоять случайным выбросам напряжения, все они отвечают требованиям нового стандарта безопасности, разработанного МЭК, – IEC 6101001, европейским эквивалентом которого является норма электробезопасности EN 6101001. В большинстве своем мультиметры имеют трехлетнюю гарантию, характеризуются малым энергопотреблением.

Эргономичное исполнение конструкции портативных мультиметров позволяет с удобством пользоваться ими, держа их в руке. Усовершенствованная конструкция кожуха – литой футляр из мягкой вулканизированной резины, нанесенной на высокопрочный полимерный корпус, – надежно предохраняет электронные узлы от повреждений и снижает возможность деформации кожуха.

МУЛЬТИМЕТРЫ ВЕДУЩИХ ЗАРУБЕЖНЫХ ФИРМ

Эти приборы отличаются высоким качеством и надежностью, а также отвечают повышенным требованиям к уровню безопасности. Они проходят независимое тестирование в специализированных испытательных лабораториях и сертифицируются на соответствующие категории безопасности. Производством мультиметров заняты многие "гиганты" высоких технологий – Fluke, Agilent Technologies, Hewlettt Packard, National Instruments, Siemens, Tektronix, APPA, Amprobe, ST&T Instrument, Kethley Instruments, OMEGA, Yokogawa, Sperry, RadioShack и ряд других фирм.

Среди моделей нового поколения цифровых мультиметров фирмы Fluke следует выделить приборы серии 110, 170, 180 (табл.1).

Таблица 1. Основные характеристики мультиметров серии 110, 170 и 180 фирмы Fluke

Но если эти мультиметры по праву считаются одними из лучших приборов данного класса по точности измерений, полноте контролируемых параметров и оптимальной цене, то самые лучшие – серии 860. Они относятся к классу графических мультиметров – устройствам с расширенными возможностями визуализации данных. В приборах серии 860 стандартный набор функций цифровых мультиметров дополнен измерением индуктивности, длительности импульса, скважности, отношения сигнал/шум и др. При этом базовая погрешность не превышает 0,025%.

Рис.3. Мультиметр модели Fluke 179

Модель Fluke 867B (рис.4, табл.2) содержит шесть измерительных средств в одном приборе. Большой графический дисплей с высокой контрастностью одновременно отображает как многочисленные цифровые данные, так и форму сигнала, что дает полную картину динамики анализирумого процесса (рис.5). Отображение формы сигнала с полосой до 1 МГц позволяет увидеть все помехи, искажение сигнала и его нестабильность. Регистрирующее устройство высокого разрешения производит запись в интервалах от 1 с до 15 мин. С помощью интерфейса RS-232 мультиметр можно подсоединить к ПК и, используя ПО FlukeView, собрать столько данных, сколько позволяет жесткий диск. Логическое тестирование обеспечивает индикацию логического перехода до 10 МГц. С помощью дополнительных датчиков возможно выполнение специальных функций – например, для измерения температуры достаточно приобрести бесконтактный ИК-пробник или измерительный модуль с термопарой.

Рис.5. Сочетание измерителя и индикатора формы сигнала в мультиметре Fluke 867B

Совершенствование мультиметров направлено по пути совмещения все большего числа функций в одном приборе и максимального использования вычислительных возможностей. Одним из ярких примеров приборов такого класса служит портативный осциллограф-мультиметр ScopeMeter фирмы Fluke. Как видно из названия, этот прибор сочетает в себе возможности мультиметра и цифрового осциллографа. Кроме того, он выполняет функции регистратора. Новая модель ScopeMeter 190С (рис.6) имеет цветной ЖК-дисплей с послесвечением, позволяющим анализировать сложные колебания. Высокая скорость обновления данных обеспечивает наблюдение динамического изменения процесса. Проводимые измерения имеют высокую точность благодаря 2000МГц полосе частот. Прибор автоматически устанавливает оптимальные пределы измерения параметра для обеспечения наивысшей точности и разрешения.

Рис.6. Мультиметр-осциллограф ScopeMeter 190С

При выборе опций меню на экране появляется контекстно зависимая подсказка, а при нажатии клавиши "i" – подробная информация об измерениях в текущем режиме работы и вариантах соединения щупов. Для анализа формы сигналов прибор предоставляет 30 видов автоматических измерений, курсоры, увеличение масштаба и часы истинного времени. Это позволяет провести анализ непосредственно в процессе измерения или по истечении некоторого времени.

Наличие курсора обеспечивает возможность практически моментального измерения параметров сигнала с одновременным отображением их значений внизу экрана. Благодаря математической обработке сигнала можно извлекать информацию, не доступную при прямом его наблюдении. Нажатие клавиши повтора возвращает назад по времени. В обычном режиме прибор непрерывно запоминает последние 100 кадров и в каждый данный момент захватывается новый кадр, а самый старый разрушается. В любой момент можно "заморозить" последние 100 кадров и переместить их или повторить. Для дальнейшего анализа используются курсоры. Два из 100 кадров могут быть загружены в ПК. Увеличение масштаба изображения в 1000 раз позволяет рассматривать его мельчайшие детали.

Как видим, фактически ScopeMeter 190С – небольшой измерительный компьютер. Его основные измеряемые параметры:

Напряжение

Пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500 мВ; 5, 50, 500, 1000 В

Погрешность при постоянном токе . . .0,5%

при переменном токе 15–60 Гц . . . . . .1%

при переменном токе 60 Гц–1 кГц . . . .2,5%

Сопротивление

Пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .500 Ом; 5, 50, 500 кОм;

5, 30 МОм

Погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,6%

Ток

Масштабный коэффициент . . . . . . . . . . .от 0,1 мВ/А до 100 В/А

Температура

Масштабный коэффициент . . . . . . . . . . .1 мВ/°С

Фирма Agilent Technologies

Мультиметры фирмы Agilent Technologies (табл.3) обеспечивают удобные результаты измерений и анализа, которые минимизируют время поиска неисправностей и измерения. Из последних моделей следует отметить три прибора, различных по назначению и стоимости.

Модель 34401А для стендовых и системных измерений с разрешением 6,5 разрядов стоит столько же, что и многие аналогичные приборы с 5,5 разрядами. Прибор быстро и просто выполняет 12 измерительных функций, обычно связанных со стендовой работой. Внутреннее ЗУ позволяет хранить до 512 показаний. При системном использовании мультиметр обеспечивает более высокую производительность, чем многие цифровые мультиметры аналогичного класса.

Он способен посылать до 1000 показаний в секунду через шину GPIB в дружественном для пользователя формате ASCII. Модель содержит три командных языка (SCPI, Agilent 3478A и Fluke 8840A/42F), так что нет необходимости переписывать имееющееся ПО тестирования. Прибор прост в эксплуатации: для выбора функции, пределов или разрешения достаточно одного нажатия на клавишу.

Модель 34420А нановольтметр/микроомметр – высокочувствительный мультиметр, оптимизированный для измерения величин низкого уровня. Малошумящий входной усилитель обеспечивает минимальное напряжение шума до 8 нВ размаха. Сочетание его с разрешением 7,5 разрядов, выбираемой аналоговой и цифровой фильтрацией, базовой суточной погрешностью по напряжению постоянного тока обеспечивает точные, воспроизводимые измерения.

Модель 3458А – самый быстродействующий, гибкий и точный мультиметр из предлагаемых фирмой Agilent Technologies (рис.7). Это представитель нового поколения универсальных цифровых мультиметров сверхвысокого качества. Используемые в нем стандарты, схемотехника и микопроцессорная мощность обеспечивают внутреннюю самокалибровку и рабочие характеристики, превосходящие достигнутый к настоящему времени уровень в лабораторных условиях. При работе на стенде или в системе прибор экономит время и деньги благодаря высокой производительности – 100 000 показаний/с и точности – погрешность передачи 0,00001% и разрешение 8,5 разрядов. При этом следует упомянуть семь функций измерения и простоту эксплуатации.

Рис.7. Мультиметр Agilent 3458A

Фирма АРРА

Среди многочисленных моделей мультиметров фирмы АРРА следует отметить приборы средней стоимости, предлагаемые на российском рынке. Приборы серии 80 – типичные представители цифровых мультиметров с базовой погрешностью 0,5% (табл.4).

Фирмы OMEGA, IMS и Electronix Express

Особый класс цифровых мультиметров составляют так называемые клещевые инструменты, позволяющие производить измерения без разрыва электрической цепи. Такие приборы в большом ассортименте выпускает фирма OMEGA. Их стоимость колеблется от 5 до 170 долл. Примером может служить мультиметр HHM59 с ЖК-дисплеем разрядностью 3,5 (рис.8). Этот легкий прибор измеряет переменный ток до 1000 А, напряжение постоянного тока до 1000 В, переменного – до 750 В, сопротивление – до 2 МОм, а также температуру. Стоимость 129 долл.

Фирма дистрибьютор IMS также предлагает недорогие (от 83 до 125долл.) клещевые мультиметры моделей Triplett 9300, 9310 и 9320 с трехразрядными ЖК-дисплеями. Модель Triplett 9320 измеряет напряжение постоянного и переменного тока до 600 В, постоянный и переменный ток до 600 А, сопротивление до 400 Ом и частоту до 4 МГц. Прибор осуществляет также прозвонку, проверку диодов, имеет автоматический выбор пределов измерения.

Эта же фирма предлагает мультиметры пробники, управляемые одной рукой. Новая модель 35266В (рис.9) с ЖК-дисплеем на 3200 отсчетов имеет пять пределов напряжения постоянного тока и четыре – переменного, по два предела постоянного и переменного тока и шесть пределов сопротивления. Установка пределов автоматическая. Прибор также осуществляет логический тест, проверку диодов и прозвон. Цена 58долл.

Можно отметить также мультиметр карандашного типа фирмы Electronix Express стоимостью всего 48 долл. – модель DM73 (рис.10). Прибор имеет трехразрядный ЖК-дисплей с 4200 отсчетами и автоматическую установку пределов. Измеряет напряжение постоянного и переменного тока до 300В, сопротивление – до 4,2 МОм.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ

Среди отечественных мультиметров можно выделить модель АМ-645 фирмы "Эликс". Это отличный прибор для повседневного пользования, который при небольших габаритах (120х75х30 мм) и доступной цене обладает высокой точностью. Поставляется как отдельно, так и в наборе ТАК КАК-1001. Его характеристики измерения:

Напряжение постоянного тока

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 мВ; 2, 20, 200 и 600 В

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . . .1%

Напряжение переменного тока (50–500 Гц)

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 мВ; 2, 20, 200 и 600 В

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,5%

Постоянный ток

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 мА; 10 А

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,5–3%

Переменный ток (50–500 Гц)

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 мА, 10 А

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .2–3%

Сопротивление

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .200 Ом; 2, 20 и 200 кОм; 2 и 20 МОм

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .1,2–2%

Емкость

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2, 20 и 200 нФ; 2 и 20 мкФ

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .3%

Частота

пределы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 Гц–20 МГц

погрешность . . . . . . . . . . . . . . . .0,2%

Проверка диодов

напряжение тестирования . . .3,2 В, макс.

Звуковая прозвонка

порог срабатывания . . . . . . . . . .менее 40 Ом

Время измерения . . . . . . . . . . . . .0,3 с

Масса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160 г