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.

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

Серия	Характеристики
Fluke 110 (модели 110, 111, 112)	Измерение напряжения постоянного и переменного тока (50–500 Гц) от 1 мВ до 600 В с разрешением от 1 мВ до 0,1 В и погрешностью 0,7% для постоянного тока и 1% – переменного; сопротивления от 0,1 Ом до 40 МОм с разрешением от 0,1 Ом до 0,01 МОм и погрешностью до 1,5%; емкости – от 1 нФ до 10 мФ с разрешением от 1 нФ до 1 мкФ и погрешностью до 1,9%; частоты – от 5 Гц до 50 кГц, разрешением 0,01–10 Гц и погрешностью 0,1%. Проверка диодов при напряжении 2,2 В с погрешностью 0,9%. Цифровой дисплей с 6000 отсчетов и скоростью обновления результатов 4/с; аналоговая шкала с 33 сегментами и обновлением результатов 40/с, в модели 112 – подсветка. Модели 111 и 112, кроме того, измеряют постоянный ток от 0,001 до 10 А и переменный (50 Гц–5 кГц) от 0,01 до 10 А.
Fluke 170 (модели 175, 177, 179)	Измерение напряжения переменного тока (45–1000 Гц) от 0,1 мВ до 1000 В с разрешением 0,1–1000 мВ и погрешностью 1–2%, постоянного тока – от 0,1 мВ до 1000 В с разрешением 0,1–1000 мВ и погрешностью 0,1–0,15%; сопротивления от 0,1 Ом до 50 МОм при разрешении от 0,1 Ом до 0,01 МОм и погрешности 0,9–1,5%; емкости от 1 нФ до 10 мФ с разрешением 1 нФ–1 мкФ и погрешностью 1,2–10%; частоты от 2 Гц до 50 кГц с разрешением 0,01–10 Гц и погрешностью 0,1%; переменного тока от 0,01 мА до 10 А. Проверка диодов при 2,4 В с погрешностью 1%. Цифровой дисплей с 6000 отсчетов и обновлением результатов 4/с; аналоговая шкала с 33 сегментами и обновлением 40/с; в моделях 177 и 179 – подсветка. Модель 179 измеряет также температуру от 40 до +400 °С с разрешением 0,1 °С и погрешностью 1%, к модели прилагаются дополнительные аксессуары, позволяющие, например, прибор подвешивать (рис.3).
Fluke 180 (модели 187, 189)	Измерение напряжения переменного тока (45 Гц–100 кГц) от 1 мкВ до 1000 В с разрешением до 0,001 мВ и погрешностью 0,4%, постоянного тока до 1000 В с разрешением 0,001 мВ и погрешностью 0,025%; постоянного и переменного токов до 10 А с разрешением 0,01 мкА и погрешностью соответственно 0,15 и 0,75%; сопротивления до 500 МОм с разрешением 0,01 Ом и погрешностью 0,05%; емкости – 0,01 нФ–50 мФ; частоты – 0,5 Гц–1 МГц; температуры – 200...+1370 °С. Внутреннее ЗУ позволяет регистрировать изменения измерений (до трех дней). Цифровой дисплей – 50 тыс. отсчетов; аналоговый дисплей – 51 сегмент, двухуровневая подсветка. Возможность регистрации данных при подсоединении к ПК. Цена 399 долл.

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%.

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.

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:

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