В этой статье рассматривается конструкция типичного современного мультиметра, а не какой-либо конкретный прибор, а скорее общие принципы работы различных диапазонов мультиметра.
Начнем с обзора основных элементов конструкции мультиметра.
- Входных клемм обычно бывает 3 или 4.
- Защита на входе, какая-либо защита необходима, иначе измерительный прибор долго не прослужит.
- Выбор диапазона — переключатель для выбора измеряемого параметра. Он будет переключать сигналы и передавать фактическое расстояние на микроконтроллер.
- Обработка сигнала: отрегулируйте все значения в диапазоне входного сигнала АЦП. Это будет комбинация резисторов и управляемых компьютером переключателей, а также может включать в себя усилитель с коэффициентом усиления x10.
- АЦП преобразует аналоговое значение в цифровое.
- Опорное напряжение — это эталонное напряжение, используемое для определения диапазонов напряжения и тока.
- Микроконтроллер (MCU) управляет всем процессом и формирует цифровое значение для отображения на дисплее.
- Для работы ЖК-дисплея с драйвером требуется определенное напряжение и режим сканирования.
- В большинстве мультиметров используется ЖК-дисплей.
Защита.
Переключатель диапазонов.
Переключатель диапазонов переключает соединения с высоким напряжением или слишком большим током для электронных переключателей, а затем имеет кодировку для уведомления микросхемы мультиметра (или микроконтроллера) о выбранном диапазоне. Простейший переключатель диапазонов должен только переключать низковольтный путь для измерения сопротивления/целостности цепи/диодов/емкости/мВ/логической частоты/температуры, переключаться между резисторами мкА/мА и управлять включением/выключением питания мультиметра, остальное может обрабатываться электронно. Большинство мультиметров имеют больше положений и используют поворотный переключатель, который может выполнять больше функций (последовательное включение конденсатора при переменном напряжении, режим LowZ) или просто подавать сигнал на микросхему мультиметра для электронного переключения. Переключатель диапазонов, вероятно, также будет переключать несколько сигналов между диапазонами измерения сопротивления/целостности цепи/диодов/емкости/мВ/логической частоты/температуры.
Этот переключатель диапазонов имеет 9 положений включения, и, имея всего 4 контакта, это означает, что большая часть контактов используется для передачи мультиметру фактического положения, а не для переключения сигналов.
Этот переключатель диапазонов имеет маркировку положений на печатной плате, но расположение контактов мало чем помогает. Обратите внимание, что на печатной плате есть несколько меток для определения того, находится ли переключатель диапазонов между допустимыми положениями.
На этом мультиметре контакты расположены в линию, что облегчает различение соединений для каждого диапазона.
Разработчики микросхемы мультиметра и разработчики самого мультиметра не всегда сходятся во мнении о том, как лучше распределить диапазоны на переключателе и как их закодировать; обычно это решается с помощью пары диодов. Другим решением является микропроцессор и, возможно, несколько расширителей ввода-вывода, но это используется редко (диоды также используются для других целей в мультиметре).
Обработка сигнала, АЦП, опорное напряжение, микроконтроллер и драйвер ЖК-дисплея.
Эти компоненты часто объединяются в одной или двух микросхемах, но в более совершенных мультиметрах обычно используется больше микросхем.
Обработка сигнала.
Это в основном аналоговые переключатели, используемые для соединения различных частей схемы; обычно это одна микросхема, возможно, дополненная некоторыми внешними аналоговыми переключателями; в высококачественных мультиметрах может быть больше внешних переключателей из-за большего количества функций. Сигналы переключения в большинстве диапазонов имеют напряжение ниже 1 вольта, но могут составлять несколько вольт для измерения сопротивления, диодов и целостности цепи. Мультиметр может иметь более 100 таких переключателей, большинство из которых находятся внутри основного чипа мультиметра.
Также могут присутствовать несколько операционных усилителей для усиления, выпрямления или другой обработки сигналов.
Некоторые микросхемы аналоговых переключателей, например ADG709, представляют собой переключатель типа «один из четырех».АЦПОсновная функция мультиметра — преобразование аналогового напряжения в цифровое значение. Обычно это интегрирующий преобразователь, то есть измерение происходит в течение определенного времени, и короткий импульс не сильно повлияет на результат. Лучше всего, если АЦП может считывать входной сигнал в течение фиксированного периода времени, например, 0,1 секунды. Это позволяет подавить большинство эффектов 50 Гц и 60 Гц, поскольку в этот период входит полное количество циклов.
АЦП
почти всегда будет соответствовать высокому диапазону милливольт, например, 0,2 В, 0,4 В или 0,6 В для мультиметров с 2000/4000/6000 отсчетами. Даже для мультиметров без диапазонов милливольт часто используются именно эти значения. В настольных мультиметрах часто используется более высокое напряжение.
В некоторых мультиметрах используется автономный чип АЦП. Первый — 20-битный (1 000 000), второй — 24-битный (16 000 000). В используемых ими мультиметрах разрешение не является полным.
Опорный сигнал.
Опорный сигнал часто встраивается в микросхему АЦП, но для улучшения характеристик можно использовать внешний.
Опорный сигнал представляет собой своего рода стабилитрон, и давно стабилитроны иногда использовались, но сегодня это специализированные микросхемы.
Микроконтроллер.
Многие микросхемы мультиметров имеют встроенный процессор, но не все. Обычно есть две причины для использования внешнего процессора: либо потому, что в микросхеме мультиметра он отсутствует (т.е. это микросхема с интерфейсом, содержащая только мультиплексор и АЦП), либо для добавления дополнительных функций к мультиметру.
Если в микросхеме микроконтроллера встроен драйвер ЖК-дисплея, ей требуется много соединений; без драйвера ЖК-дисплея ее возможности более ограничены.
Драйвер ЖК-дисплея.
Драйвер ЖК-дисплея может быть частью микросхемы мультиметра, микроконтроллера или отдельной микросхемой.
Эти микросхемы требуют много соединений с ЖК-дисплеем и не более того, ввод данных может осуществляться по двухпроводной последовательной шине.
Эта микросхема часто включает в себя емкостной повышающий преобразователь напряжения для ЖК-дисплея.
Микросхемы для мультиметров, несколько примеров.
Стандартная микросхема мультиметра на 4000 отсчетов с мультиплексором, АЦП, микропроцессором и драйвером ЖК-дисплея в одном корпусе.
Это одна из самых распространенных микросхем в недорогих мультиметрах, она имеет истинное среднеквадратичное значение (True RMS) и множество функций и диапазонов. Она отображает 4 разряда, но точный диапазон можно настроить.
Одна из самых передовых микросхем для мультиметров, она имеет несколько АЦП-преобразователей, некоторые из которых обладают очень высокой точностью, и множество электронных переключателей для настройки работы, но для управления ею необходим микропроцессор.
Напряжение (постоянный ток)
.
В мультиметрах с ручным выбором диапазона входное напряжение обычно осуществлялось таким образом: положение «1» на переключателе соответствовало наиболее чувствительному диапазону (0,2 В), а «5» — наименее чувствительному. Это невозможно сделать в мультиметре с автоматическим выбором диапазона, поскольку Vin может достигать, как правило, 1000 В, а электронный переключатель на 1000 В — это не маленькое и дешевое устройство.
В некоторых современных ручных мультиметрах используется та же схема, что и в автоматических, но с отключенной функцией автоматического выбора диапазона.
Для решения этой проблемы используется другая схема входа: здесь всегда последовательно с входным напряжением включен резистор 10 МОм, который при входном напряжении 1000 В может подавать на микросхему только 0,1 мА. Это не проблема, микросхемы обычно защищены от перенапряжения/пониженного напряжения на любых входных контактах и способны выдерживать несколько миллиампер. Резисторы внизу вместе с резистором 10 МОм определяют входное сопротивление; если здесь есть диапазон милливольт, то входное сопротивление будет высоким (есть исключения, см. ниже).
Вот несколько примеров нижних резисторов из мультиметров, переключатель находится внутри микросхемы.Для работы этой схемы входное сопротивление АЦП должно быть очень высоким, особенно в диапазоне милливольт, где последовательно с сигналом включен резистор 10 МОм. Чтобы избежать этого высокого сопротивления и обеспечить лучшую характеристику переменного тока, многие мультиметры имеют отдельный диапазон милливольт, который подается непосредственно на микросхему АЦП.
Это типичный, более качественный вход для милливольт (не все измерительные приборы имеют 10-кратное усиление), резистор 100 кОм/900 кОм используется во многих измерительных приборах и защищает микросхемы от перенапряжения, ограничивая ток. 10-кратное усиление также может быть достигнуто путем снижения опорного напряжения на АЦП (некоторые измерительные приборы могут это делать).
10-кратное усиление может быть реализовано с помощью операционного усилителя в микросхеме мультиметра с внешними резисторами.
Такая конструкция также означает, что диапазон милливольт имеет очень высокое входное сопротивление, большинство измерительных приборов поддерживают его в режиме постоянного тока, но переключают резистор 10 МОм с указанного выше значения на COM в режиме переменного тока, чтобы уменьшить наводки на частоте 50/60 Гц. Это можно сделать электронным способом, поскольку это диапазон милливольт, то есть низкое напряжение.
Существует два способа получения входного импеданса 10 МОм в милливольтном диапазоне. На первой схеме используется диапазон V, но с электронным включением усилителя x10. На второй схеме резистор 900 кОм включается вручную, а сопротивление 10 МОм может быть дополнительно электронно заземлено для получения входного импеданса 10 МОм.
Переменное напряжение.
В диапазоне переменного тока используется та же схема, что и выше, но с добавлением выпрямителя, последовательного конденсатора и иногда параллельного конденсатора. Выпрямительная цепь обычно отключается, когда не нужна, для экономии энергии.
Последовательный конденсатор.
Большинство мультиметров фильтруют постоянный ток при измерении переменного тока. Это можно сделать с помощью последовательного конденсатора непосредственно на входе или в другом месте схемы. Конденсатор на входе — лучшее решение, поскольку он гарантирует игнорирование постоянного тока; установка его позже часто приводит к тому, что большое смещение постоянного тока искажает показания переменного тока.
Конденсатор довольно большой и часто рассчитан на 1000 В.
Параллельное подключение конденсаторов.
Если измерительному прибору необходимо измерять напряжение на высоких частотах (много кГц), значит, проблема в конструкции входного каскада.
Вход АЦП, аналоговых переключателей и других цепей имеет некоторую емкость, и даже если она составляет всего 10 пФ, это будет существенно (импеданс 10 пФ на частоте 10 кГц составляет около 1,6 МОм).
Очевидным решением является конденсатор, включенный параллельно резистору 10 МОм.
Вот пример: два конденсатора 10 пФ 3 кВ, соединенные последовательно и параллельно входному резистору 10 МОм (4 x 2,5 МОм последовательно).
Но при начале работы возникнет проблема с диапазонами: емкостной делитель должен соответствовать резистивному делителю. По этой причине необходимо также включить конденсаторы параллельно резисторам диапазонов. В некоторых микросхемах мультиметров есть встроенная область для конденсаторов, которую можно использовать для этого, в других мультиметрах пара конденсаторов находится вместе с резисторами диапазонов. Конденсатор также может быть переключаемым; если он имеет последовательный резистор, это может быть реализовано микросхемой мультиметра.
Некоторые из этих конденсаторов могут быть регулируемыми, они обозначены буквой C, а не R, что означает конденсатор. Для их регулировки необходим синусоидальный сигнал высокого напряжения и высокой частоты.
Выпрямитель.
Усредняющий выпрямитель.
Схема усреднения очень распространена, она хорошо работает с синусоидами, но показывает примерно на 10% больше для прямоугольной волны и может иметь меньшую или большую погрешность для других форм сигналов.
Схема обычно выглядит примерно так (она взята из микросхем мультиметров двух разных марок), но довольно похожа, с двумя диодами, резисторами, конденсаторами и подстроечным резистором. Микросхема мультиметра питает операционный усилитель и переменный вход от низкоимпедансного источника.
Вот несколько примеров из некоторых мультиметров, диоды часто представляют собой 3-контактные SMD-компоненты, затем есть несколько резисторов, конденсаторов и подстроечный резистор, все обычно устанавливается рядом с микросхемой мультиметра.
Выпрямитель истинного среднеквадратичного значения.
Более совершенные мультиметры используют выпрямитель истинного среднеквадратичного значения, это довольно сложная операция, и часто она реализована на отдельной микросхеме.
Это блок-схема микросхемы выпрямителя истинного среднеквадратичного значения.
Вот несколько примеров микросхем, измеряющих истинное среднеквадратичное значение (RMS).
Встроенный выпрямитель.
Некоторые микросхемы мультиметров имеют встроенный выпрямитель, который может быть даже выпрямителем RMS.
Наиболее известная — DTA0660, которая используется во многих дешевых мультиметрах RMS, но часто в версии COP (то есть в виде черного пятна).
Даже микросхемы мультиметров со встроенным выпрямителем могут использовать внешний преобразователь RMS в высококачественных приборах, поскольку внешний преобразователь может иметь лучшие характеристики.
Режим Low Z.
На некоторых мультиметрах есть специальное положение на переключателе диапазонов, обозначенное как LowZ, где входное сопротивление ниже 10 МОм. В зависимости от прибора это может работать только с переменным током или как с переменным, так и с постоянным током; обычно прибор блокируется в самом высоком диапазоне напряжения при выборе LowZ.
Существует два способа реализации этого.
Фиксированное сопротивление
На входном выводе используется фиксированное сопротивление, часто около 300 кОм. Его потребляемый ток ограничен, и это должен быть мощный резистор, если измерительный прибор может работать с напряжением до 1000 В (1000 В на 300 кОм составляет 3,3 Вт).
Первый измерительный прибор имеет два больших SMD-резистора, соединенных последовательно, общим сопротивлением 400 кОм, они должны выдерживать суммарную мощность 2,5 Вт при 1000 В. Второй измерительный прибор использует большой резистор на 300 кОм.
В карманном измерительном приборе было место для 3 резисторов по 330 кОм, то есть низкое сопротивление составляет 1 МОм.
Другой способ создания низкого входного импеданса — использование PTC-термистора на входных выводах. Это означает несколько кОм входного импеданса при низком напряжении; при увеличении напряжения PTC-термистор нагревается и увеличивает входной импеданс. Мощность составит около 1 Вт.
Этот эффект достаточно силен, чтобы скрыть напряжение при небольшом ударе током.
Низкоомный PTC-термистор устанавливается близко к PTC-термисторам защиты входа на этих мультиметрах. Использование низкоомного диапазона часто на некоторое время влияет на другие диапазоны, поскольку PTC-термистор нагревает PTC-термисторы защиты входа. Большинство мультиметров имеют 6 диапазонов измерениятока: два в мкА, два в мА и два в А, но существуют и мультиметры с меньшим или большим количеством диапазонов.
Типичная схема измерения тока выполнена следующим образом: первый переключатель — это часть поворотного переключателя, а второй — электронный. Указанные мной значения резисторов являются наиболее распространенными (0,99 Ом вместо 1 Ом и 99 Ом вместо 100 Ом также распространены). Измерение тока почти всегда производится на резисторе 100 Ом, что позволяет сэкономить один переключатель (измерять непосредственно на выводе мкА/мА было бы невозможно из-за контактного сопротивления поворотного переключателя).
Клемма uA/mA может быть общей с клеммой напряжения или отдельной, это не меняет схему, но отдельная клемма uA/mA безопаснее, чем общая. Клемма 10A всегда отдельная, поворотный переключатель не может выдерживать ток 10A.
Важно, чтобы резистор выдерживал мощность, это никогда не является проблемой в диапазоне uA (за исключением случаев перегрузки), в диапазоне mA резистор должен иметь определенный номинал: для 6000-канального измерителя требуется резистор мощностью 0,36 Вт. С шунтом на 10A обычно используется резистор мощностью 1 Вт для 10A и 4 Вт для 20A.
Для измерения переменного тока сигнал проходит через тот же выпрямитель, что и для измерения переменного напряжения, усилитель x10 может быть таким же, как и в диапазоне mV.
Измерителям с низким нагрузочным напряжением потребуется дополнительное усиление между этим усилителем и входом АЦП.
Примеры шунтирующих резисторов для мкА и мА: в одном измерительном приборе есть место для двух параллельно соединенных резисторов для мА (R9 и R9*).
Примеры шунтирующих резисторов для 10 А: существует значительная разница в размерах, и самый маленький (R33) не может долго выдерживать ток 10 А.ОмНекоторые считают, что измерение сопротивления в омах производится путем пропускания постоянного тока через резистор для измерения напряжения. Это может быть справедливо для больших настольных мультиметров, но в меньших по размеру приборах часто используется другой способ.
Идея заключается в создании делителя напряжения между внутренним опорным резистором и внешним неизвестным резистором, затем АЦП используется для измерения напряжения на каждом из них, и с помощью некоторых математических вычислений можно рассчитать неизвестное сопротивление — это называется методом отношения. Выбор диапазона осуществляется путем переключения между различными опорными резисторами. Опорные резисторы и переключатель точно такие же, как и при измерении напряжения. Усилитель x10 может использоваться в диапазоне наименьшего сопротивления. Опорное напряжение (Vref) не влияет на точность при измерениях методом отношения. Измерение внутренних опорных резисторов может выполняться с помощью 4-контактных методов, то есть отдельных мультиплексоров для измерения тока и измерения.
Некоторые более совершенные микросхемы мультиметров могут выполнять как измерения постоянного тока, так и измерения отношения, и даже переключать метод между диапазонами.Измерение непрерывности цепи.Это, по сути, один из диапазонов низких сопротивлений. Есть два способа ускорить его: добавить компаратор или использовать более быстрый АЦП (некоторые микросхемы имеют несколько встроенных АЦП).
Вот схема с компаратором. Компаратор, конечно же, находится внутри микросхемы мультиметра.Диод.Для измерения диода мультиметр должен подавать напряжение и измерять его. Есть одна небольшая деталь, и это напряжение: необходим диапазон вольт, а не милливольт, это означает, что должен присутствовать делитель напряжения. Это не всегда основной делитель напряжения (некоторые мультиметры используют основной делитель напряжения).
Это типичная схема для диода, Vref может быть значительно выше в этом режиме, некоторые мультиметры измеряют напряжение от 3 В до 4 В. Для мультиметров, использующих основной делитель, резисторы обычно будут 10 МОм/1,11 МОм вместо 900 кОм/100 кОм. В мультиметрах для измерениятемпературыобычно используется термопара типа K, обеспечивающая измерение примерно 40 мкВ/°C и являющаяся относительным измерением температуры. Схема прибора аналогична диапазону мВ или наиболее чувствительному диапазону мкА, но с другой шкалой и смещением, основанным на показаниях датчика температуры внутри микросхемы мультиметра. Для обеспечения высокой точности прибору необходима компенсация линейности, особенно при температурах ниже -40°C.Измерение емкости.Многие мультиметры могут измерять емкость, делая это путем зарядки и разрядки конденсатора с определенной скоростью, но фактическая реализация может различаться.
Различие заключается в генераторе тока: это может быть схема измерения сопротивления, используемая для зарядки и, возможно, разрядки конденсатора, или же специализированная схема. Некоторые измерительные приборы всегда используют один и тот же ток, меняется только время, другие переключают ток для определенных диапазонов емкости, используя максимальный ток и более длительное время для больших емкостей. Логический вход часто аналогичен диапазонам милливольт.
Четыре примера кривых заряда/разряда, используемых для измерения 1 мкФ.
Частотнаяреализация частотомера варьируется: вход может быть с переменным током через конденсатор, с прямой связью с порогом на нуле или при некотором небольшом напряжении; некоторые измерительные приборы даже могут регулировать порог на несколько вольт.
Счетчик будет выполнять автоматический обратный счет на более низких частотах и обычно работает примерно до 1 Гц. Верхний предел зависит от уровня сигнала и используемого входного сигнала; при входном напряжении полоса пропускания ограничена, но входное сопротивление обычно составляет 10 МОм. Вход логической частоты часто работает в мегагерцах, иногда в двузначных числах мегагерц, но имеет входное сопротивление всего несколько кОм, по крайней мере, для напряжения выше нескольких вольт.
Питание.
Микросхемы мультиметров обычно работают от 2,4 В до 3 В, это означает, что они будут отлично работать от двух батареек AA/AAA. Иногда вспомогательной схеме требуется большее напряжение, и используется больше батареек. Некоторые мультиметры используют 9-вольтовую батарею, хотя им не требуется более высокое напряжение.
При более высоком напряжении необходим стабилизатор, обычно это 3-контактный линейный стабилизатор. Микросхема мультиметра может устанавливать виртуальную землю для обработки как положительных, так и отрицательных входных сигналов. В микросхеме мультиметра также может быть емкостной повышающий стабилизатор для проверки диодов с помощью 3 В.
Вот пара примеров: размер микросхемы и расположенные рядом конденсаторы являются хорошими показателями наличия стабилизатора питания, а при подключении к батарейному входу это еще более точный показатель.