Was ist das Digitalmultimeter (DMM)?

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Digitalmultimeter Definition

Die Bedienung von Digitalmultimetern ist relativ einfach – mit der heutigen IC-Technologie sind sie einfach zu entwickeln, zu produzieren und zu bedienen.

Digitalmultimeter

Digitalmultimeter (Quelle: Pixabay.com)

Obwohl sie sich sehr stark von den älteren Analogmessgeräten unterscheiden, ist die Grundfunktion eines Digitalmultimeters im Wesentlichen die gleiche wie die eines analogen Multimeter, obwohl sie mit Hilfe der Digitaltechnik in der Lage sind, viel mehr und genauere Messungen aufzunehmen.

Wie bei jedem Prüfgerät hat die Funktionsweise des Digitalmultimeters einen Einfluss auf die beste Art und Weise wie es am besten zu benutzen ist. Das Verständnis der Funktionsweise kann dazu beitragen, das Gerät optimal zu nutzen und zu verstehen, warum einige Messungen möglicherweise nicht so funktionieren, wie man es erwarten könnte.

 

Wie ein DMM funktioniert

Wenn man betrachtet, wie ein DMM funktioniert gibt es eine Funktion, auf welche (fast) alle anderen Messungen beruhen: die Spannungsmessung.
Tatsächlich werden alle anderen Standard-Messungen aus dieser Basismessung abgeleitet.

Einer der wichtigsten Prozesse dabei ist der, der Analog-Digital-Wandlung.

Es gibt viele Formen von Analog-Digital-Wandler (ADC). Am weitesten verbreitet sind aber Geräte mit sogenannten sukzessiven Näherungsregistern oder SAR. Einige SAR-ADCs haben zwar nur eine Auflösung von 12 Bit, aber diejenigen, die in Testgeräten einschließlich DMMs verwendet werden, haben im Allgemeinen 16 Bit oder möglicherweise mehr, abhängig von der Anwendung. Typischerweise werden für DMMs Auflösungsstufen von 16 Bit verwendet, mit Geschwindigkeiten von 100k Abtastungen pro Sekunde. Diese Geschwindigkeitsstufen sind für die meisten Multimeter-Anwendungen sind z.B. Experimente. mehr als ausreichend, bei denen normalerweise keine hohen Geschwindigkeiten erforderlich sind. Typischerweise werden die meisten Messungen nur mit einer maximalen Rate von wenigen Werten pro Sekunde durchgeführt.

Wie der Name schon sagt, arbeitet das aufeinanderfolgende Näherungsregister ADC durch sukzessives Einlesen der Werte der Eingangsspannung.

Die erste Stufe des Prozesses besteht darin, dass die Abtast- und Halteschaltung die Spannung am Eingang des Multimeters abtastet und dann konstant hält.

Bei einer konstanten Eingangsspannung beginnt das Register bei der Hälfte seines Skalen Endwertes. Dies erfordert typischerweise das höchstwertige Bit, MSB auf „1“ und alle anderen auf „0“. Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung irgendwo in diesem Bereich liegen könnte, bedeutet der mittlere Bereich, dass dem ADC eine schnellere Einschwingzeit ermöglicht wird, da es nur ein Maximum des Endbereichs bewegen muss, anstatt möglicherweise 100%.

Um zu sehen, wie es funktioniert, nehmen Sie das einfache Beispiel einer 4-Bit-SAR. Seine Ausgabe beginnt bei 1000. Wenn die Spannung weniger als die Hälfte der maximalen Kapazität beträgt, ist der Vergleicherausgang niedrig und das Register wird auf einen Pegel von 0100 gedrückt. Wenn die Spannung darüber liegt, bewegt sich das Register zu 0110 usw., bis es auf dem nächstgelegenen Wert steht.

Es ist zu erkennen, dass SAR-Konverter für jedes Ausgangsbit einen ungefähren Zyklus benötigen, d.h. ein n-Bit-ADC benötigt n Zyklen.

DMM-Betrieb

Obwohl der Analog-Digital-Wandler das Schlüsselelement innerhalb des Instruments bildet, ist es notwendig, einige der anderen Funktionen rund um den ADC zu betrachten, um die Funktionsweise eines Digitalmultimeters vollständig zu verstehen.

Obwohl der ADC sehr viele Proben entnimmt, wird das gesamte Digitalmultimeter nicht alle entnommenen Proben anzeigen oder zurückgeben. Stattdessen werden die Proben gepuffert und gemittelt, um eine hohe Genauigkeit und Auflösung zu erreichen. Dadurch werden die Auswirkungen kleiner Schwankungen wie Rauschen usw. überwunden, wobei das Rauschen der analogen ersten Stufen des DMM ein wichtiger Faktor ist, der überwunden werden muss, um die höchste Genauigkeit zu erreichen.

Digitalmultimeter Messzeit

Einer der Schlüsselbereiche für das Verständnis der Funktionsweise eines Digitalmultimeters ist die Messzeit. Neben der Basismessung gibt es eine Reihe weiterer Funktionen, die benötigt werden und die alle die Dauer der Messung in Anspruch nehmen. Dementsprechend muss die Messzeit eines Digitalmultimeters, DMM nicht immer auf dem Display erscheinen, gemessen wird sie dennoch.

Die Gesamtmesszeit für ein DMM setzt sich aus mehreren Phasen zusammen, in denen unterschiedliche Aktivitäten auftreten:

  • Schaltzeit: Die Schaltzeit ist die Zeit, die das Gerät benötigt, um sich nach dem Umschalten des Eingangs zu beruhigen. Dazu gehört die Beruhigungszeit nach dem Wechsel einer Messgröße, z.B. von Spannung auf Widerstand, etc. Es beinhaltet auch die Zeit, sich nach der Änderung des Bereichs zu beruhigen. Wenn eine automatische Bereichswahl enthalten ist, muss sich das Messgerät beruhigen, wenn eine neue Bereichswahl erforderlich ist.
  • Einschwingzeit: Sobald der zu messende Wert auf den Eingang angewendet wurde, wird eine gewisse Zeit benötigt, bis dieser sich beruhigt hat. Dadurch werden alle Eingangskapazitätspegel überwunden, wenn hochohmige Tests durchgeführt werden, oder generell, damit sich die Schaltung und das Gerät beruhigen.
  • Signalmesszeit: Dies ist die Grundzeit, die benötigt wird, um die Messung durchzuführen. Bei AC-Messungen muss die Betriebsfrequenz berücksichtigt werden, da die minimale Signalmesszeit auf der für die Messung erforderlichen Mindestfrequenz basiert. So wird beispielsweise für eine Mindestfrequenz von 50 Hz eine Blende von vier Zeiträumen benötigt, d.h. 80 ms für ein 50Hz-Signal oder 67 ms für ein 60Hz-Signal, etc.
  • Auto-Zero-Zeit: Wenn Autorange ausgewählt ist oder Messbereichs-Änderungen vorgenommen werden, ist es notwendig, das Messgerät auf Null zu setzen, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
  • ADC-Kalibrierungszeit: In einigen Digitalmultimetern wird regelmäßig eine Kalibrierung durchgeführt. Dies ist insbesondere bei Messungen mit automatischer oder computergesteuerter Steuerung zu berücksichtigen.

Das Konzept der Funktionsweise des Digitalmultimeters ist relativ einfach, aber es ist verständlich, dass die Messung unterschiedlicher Wellenformen oder intermittierender Spannungen zu ungewöhnlichen Ergebnissen führen kann. Außerdem ist es wichtig, die richtige Genauigkeitseinstellung für die Zeit, in der die Messung durchgeführt wird, auszuwählen. Das Verständnis der Funktionsweise des Digitalmultimeters ermöglicht es Messfehler und damit einhergehende Gefahren zu vermeiden.

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Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

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