Digitalmultimeter

Ein Digitalmultimeter (kurz DMM) ist ein digitales Test- und Messgerät in der Elektrotechnik, das zum Messen von elektrischen Strömen, Spannungen und für verschiedene andere Messzwecke (Widerstand, Kapazität, Induktivität, Leistung, Arbeit, Temperatur) z. B. zum Testen von Transistoren verwendet wird.

Sie arbeiten mit elektronischen Wandlern, ADC, und zeigen das Messergebnis als LED/LCD-Ziffernanzeige an bzw. ermöglichen eine Datenübertragung.

Bis zur Einführung der digitalen Geräte waren analoge Test- und Messgeräte üblich.

Ein Digitalmultimeter bei der Widerstandsmessung

Digitale Multimeter und ihre Wandler

Ein digitales Multimeter, DMM, kann durch meist mechanische Umschaltung mehrere elektrische Größen messen, üblich sind Spannung, Strom, Widerstand. Hochwertige DMM wählen den Messbereich selbst und können sich gegen Überlast/-spannung schützen. Diese zeigen dann auch den echten Effektivwert einer beliebigen Spannungsform an.

ADC nach dem Dual-Slope-Verfahren

Herzstück eines DMM ist der ADC. Die meisten Wandler arbeiten nach dem Dual-Slope-Verfahren. Er ist das Gegenstück zum Drehspulmesswerk. Dieses ist ein integrierendes Verfahren. Vergleiche dazu das Integral in Arithmetischer_Mittelwert. Ein Kondensator wird dazu mit einem Strom, welcher der Messspannung proportional ist, eine bestimmte Zeit t₁ aufgeladen. Wird eine Gleichspannung gemessen, so steigt die Kondensatorspannung zeitproportional an. Anschließend wird der Kondensator mit einer Referenzspannung gezielt entladen. Die Entladezeit t₂ ist der Messgröße proportional, denn je größer die Ladeentspannung, desto länger dauert der Entladevorgang. Während der Lade- und Entladezeit werden Impulse digital gezählt. Das Verhältnis der Lade- zu Entladezeit ist somit ein Maß für die Messspannung U_x = U_ref (t₂ / t₁).

Ist die Messgröße eine Wechselspannung, so wird der Kondensator ständig auf und entladen. Nach genügend großer Zeit t₁ ist die Kondensatorspannung trotzdem 0 Volt.

Mit dem ADC nach dem Dual-Slope-Verfahren kann man nur Gleichspannungen messen. Es ermittelt wie das Drehspulmesswerk den arithmetischer Mittelwert. Sollen Wechselspannungen gemessen werden, so ist ein Gleichrichter = Betragsbildner notwendig. Es ermittelt dann aber auch nur den arithm. Mittelwert der Wechselspannung. Da den Anwender aber der Effektivwert einer Wechselspannung interessiert, wird dieser mit dem Faktor 1,1 = 1/0,9 gewichtet. Hier wird für sinusförmige Spannungen der Effektivwert angezeigt.

• Die Auflösung lässt sich durch längere Integrationszeit oder höhere Zählfrequenz verbessern.
• Kostengünstiges Verfahren
• Die Langzeitstablität der Kapazität macht sich in beiden Zeiten bemerkbar. Das Messergebnis wird nicht verfälscht.
• Das integrierende Verfahren unterdrückt Brumm- und Rauschspannungen.
• Es wird im AC-Bereich kein echter Effektivwert gemessen.
• Das Verfahren ist langsam, aber für die menschliche Ablesegeschwindigkeit schnell genug.

Echt Effektivwertmessung

Soll der Effektivwert einer beliebigen Spannungsform gemessen werden, muss ein Wandler verwendet werden, welcher so wie das Integral zur Bestimmung des Effektivwertes arbeitet.

Prinzip: Ein Absolutspannungs- Stromwandler erzeugt aus der Messspannung einen Strom I₁. Dieser wird einem Quadrierer / Dividierer zugeführt. Der Divisor entsteht durch einen Spiegelstrom nach Integration mit einem Kondensator. Er ist der Mittelwert des Stromes I₁. Dadurch wird ein Ausgangsstrom gebildet, welcher dem true Effektivwert entspricht. Vergleiche Datenblatt Maxim Mx536A.

Fehler beim Messen mit dem Digitalmultimeter

Abgleich-Fehler

DMM haben zur Bereichswahl einen Spannungsteiler. Hier verbergen sich Fehler durch die Toleranz der Widerstände.

Linearitätsfehler

Integrale Linearität: Die Übertragungskennlinie eines ADC ist nicht linear. Die Ursache lässt sich z.B. beim ADC nach dem Verfahren der Sukzessiven Approximation SAR mit den Widerständen des internen DACs erklären.

Quantisierungsfehler

Differenzielle Linearität: Sind die Quantisierungsschritte nicht gleich groß, so entstehen Fehler, wenn die Spannung von einer höheren zur tieferen Stufe oder umgegekehrt wechselt.

Obige Unsicherheiten werden zusammengefasst mit der Angabe z. B. F = +-( 0,1 % vA + 2 Digit)

Einflussgrößen

Temperatur

Wirkt eine Temperatur auf das Messgerät ein, wird die Messunsicherheit größer. Die Angabe erfolgt mit einem Steigungsfaktor z. B. F * 1/10 K

Crestfaktor

Der Crestfaktor ist das Verhältnis von Amplitude zu Effektivwert, z. B. für Sinus C = 1,414. Ist die Amplitude sehr viel größer als der Effektivwert, z. B. bei Impulsen, kommt es zu Fehlmessungen. Die Grenze ist spannungsabhängig. Typisch ist C = 1 für Gleichspannung. Der Effektivwert der Gleichspannung ist gleich der konstanten Amplitude. Bei Wechelspannung ist in Europa die Nennspannung (Effektivwert) 230 Volt, die maximale Amplitude liegt bei 325 Volt.

Berechnung der Messunsicherheit

Beispiel 1:

Anzeige U = 123,4 V; Angabe des Herstellers: $F=\pm \mathrm {(0{,}1\,\%\,vA\,+\,2\,Digit)}$ (mit vA = von der Anzeige)

$F_{1}=\pm (123{,}4\,\mathrm {V} \cdot 0{,}001+2\cdot 0{,}1\,\mathrm {V} )=0{,}3234\,\mathrm {V}$

Beispiel 2:

Das Messgerät wird in einer Umgebung mit höherer Umgebungstemperatur 45 °C betrieben. Der Hersteller gibt die obige Messunsicherheit für einen Betriebstemperaturbereich von 10 °C ... 30 °C an.

Zusatzfehler: F = (0,05 % vA + 2 D)/ 10 K (mit vA = von der Anzeige)

$F_{2}=\pm (0{,}0005\cdot 123{,}4\,\mathrm {V} +2\cdot 0{,}1\,\mathrm {V} )\cdot 15\,\mathrm {K} /10\,\mathrm {K} =\pm (0{,}2617)\cdot 1{,}5\,\mathrm {V} =0{,}39255\,\mathrm {V}$

$F_{\rm {ges}}=F_{1}+F_{2}$

Siehe auch

Arithmetischer Mittelwert und Effektivwert verschiedener Spannungsformen, Messtechnik

Weblinks

• Informationen über das Testen von Transistoren mit DMM (englisch)