Handout Zur Veranstaltung Übungen im Vortragen

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Übungen im Vortragen
Michael Frey
Thema: einfachstes Hand-Digitalmultimeter (ohne True-RMS)
1. Digitalmultimeter als Messgerät
Ein Digitalmultimeter ist ein digitales elektronisches Gerät, mit dem verschieden elektrische Kenngrößen (aber teilweise auch z.B. Temperaturen) gemessen werden
können. Typisch sind Stromstärke und Spannung für Gleich- und Wechselstrom, Widerstand (mit Durchgangsprüfung). Je nach Ausführung können noch Kapazität, Induktivität, Frequenz, Leistung, Verstärkung von Transistoren, usw. gemessen werden.
Gängige Messbereiche:
Stromstärke: 0,2mA – 20A
Spannung: 20mV – 1000V
Widerstand: 2Ω – 20MΩ
Die Wahl des Messbereichs kann, je nach Ausführung, entweder manuell (via Drehrad) oder automatisch erfolgen. Vorteil der automatischen Messbereichswahl ist,
dass man sich nicht darum kümmern muss, insbesondere auch nichts falsch machen
kann. Nachteilig ist aber, dass der Messbereich ständig variiert wird, wenn das
Messsignal zwischen zwei Bereichen liegt, oder nicht konstant ist.
2. Aufbau eine Digitalmultimeters
Externer Aufbau
Einfache Hand-Digitalmultimeter haben meist drei oder vier Eingangsbuchsen (typ.
Beschriftung):
x COM: Anschluss für Masse
x Ω/V: Anschluss für Phase für Widerstands-/Spannungsmessung (hoher Innenwiderstand, mit Sicherung)
x mA: Anschluss für Phase für Stromstärkemessung (kleiner Innenwiderstand, mit
Sicherung)
x 10A: Anschluss für Phase für Messung großer Stromstärken (kleiner Innenwiderstand, häufig ohne Sicherung, nur für Kurzzeitbelastung)
Die Anschlüsse sind zumindest bei neueren Geräten so gestaltet, dass Bananenstecker mit einer Schutzummantelung passen. Es ist darauf zu achten, dass der Anschluss am Gerät passend zur Messgröße gewählt wird. Zwar haben die Multimeter
einen Überlastungsschutz allerdings kann durch falschen Gebrauch die zu messende Schaltung zerstört werden. Bei Umgang mit höheren Spannungen und Stromstärken ist ohnehin besondere Vorsicht geboten.
Den Messwert liest man an einem LC-Display ab. Der Zahlwert wird häufig mit drei
oder vier Stellen angegeben. Es gibt aber auch 3½-stellige Anzeigen; hier sind für
die 1. Ziffer nur der Werte 0 oder 1 möglich (so, dass oberhalb von z. B. 199,9 auf
einen gröberen Messbereich gewechselt werden muss).
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Interner Aufbau
Abbildung 1: Schaltplan eines Multimeters ([4] S.118)
Eine beispielhafte Schaltskizze ist in Abbildung 1 dargestellt:
Man erkennt den Umschalter für Wechsel- bzw. Gleichstrommessung, sowie den für
Spannungs- bzw. Strommessung. Die Dioden D1 und D2 dienen der Gleichrichtung
der sinusförmigen Signale; D3 und D4 werden als Überspannungsschutz verwendet.
Die eigentliche Messschaltung ist in Abbildung 2 näher skizziert.
Abbildung 2: Analog-Digital-Wandler nach Double-Slope Prinzip ([2] S.87)
Die Schnittstelle zwischen Geräte Eingang und Anzeige ist ein sog. Analog-DigitalWandler (oder Analog-Digital-Umsetzer, ADU). Dessen Aufgabe ist die Übersetzung
des analogen Eingangssignals in digitale Form, sodass ein digitaler Zahlmesswert
ausgegeben werden kann.
Es gibt eine Vielzahl verschiedener Typen von DA-Wandlern. In Digitalmultimetern
kommt sehr häufig ein Dual-Slope-Wandler zum Einsatz:
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Die Messung erfolgt in zwei Schritten, die je einer Integration entsprechen.
Abbildung 3: Integrator ([2] S.453)
1. Das Eingangssignal (analoge positive Spannung) wird an einen Integrator (Abb.3)
übermittelt. Während einer festen und bekannten Zeit t1 wird der Kondensator dadurch aufgeladen. Das entspricht einer Integration von U1/(R*C).
2. Danach wird eine negative Referenzspannung (Teilspannung einer eingebauten
Batterie) so lange angelegt, bis die Ausgangsspannung des Integrators 0 ist. Das ist
der Fall, wenn der Kondensator entladen ist. Die Zeit t2 die der Entladungsvorgang
benötigt, wird mit einem internen Taktgeber gemessen (abgezählt).
Die Ladung (Integral), die nach t1 auf dem Kondensator sitzt, wird in Schritt 2 abgebaut. Beide Integrale sind also gleich, und es ergibt sich:
U Eingang
t
= 1
U Re ferenz t 2
Die Eingangsspannung wird demnach aus den bekannten Größen t1, UReferenz, und
der gemessenen Größe t2 errechnet. Die Werte von R und C gehen nicht ein, dennoch sollten die Bauteile eine hohe Güte besitzen, damit Nichtlinearitäten gering
gehalten werden.
Ein Nachteil dieser Schaltung ist die relativ hohe Dauer (typischerweise 10-500ms)
einer Signalmessung. Dies ist aber für die Anwendung im Hand-Digitalmultimeter
nicht problematisch, da das Ablesen der Anzeige nur langsam möglich ist.
Vorteil der Double-Slope-Methode (im Vergleich zu anderen AD-Wandlern) ist die
hohe Genauigkeit bei geringen Herstellungskosten. Außerdem zeichnen sie sich
durch gute Störunterdrückung aus. Die Störunterdrückung (Gleichtaktunterdrückung)
ist wesentliche Voraussetzung dafür, dass mit ungeschirmten Kabeln gearbeitet werden kann.
Abbildung 4: Überlastschutz mittels Zenerdioden ([4] S.99)
Ein Überlastschutz kann durch zwei entgegengesetzte Zenerdioden realisiert werden. Überschreitet die Spannung den zulässigen Höchstwert, wird die entgegengepolte Diode durchbrechen und der Strom fließt nicht durch die Messschaltung.
3. Einsatzgebiete
Hand-Digitalmultimeter haben aufgrund ihrer geringen Störungsanfälligkeit (keine
Mechanik), ihrer niedrigen Herstellungskosten, ihrer vernünftigen Genauigkeit und
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der Vielfalt an Messfunktionen ein breites Anwendungsgebiet. Zum schnellen Testen
von Schaltungen und Einzelbauteilen sind sie ebenso geeignet wie zur Überprüfung
von Strom- und Spannungsquellen auf Gefährlichkeit für den Menschen (Voraussetzung ist natürlich, dass bestimmte Faktoren schon im Vorfeld bekannt sind!). Laien,
also auch z. B. für Schüler, können aufgrund der einfachen Bedienung und der eingebauten Sicherungen problemlos mit Hand-Digitalmultimetern umgehen. Es gibt
spritzwassergeschützte Digitalmultimeter die auch für den Außeneinsatz zu verwenden sind.
Bei jeder Messung müssen bestimmte Rahmenbedingungen beachtet werden. Angefangen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit (vgl. Gerätespezifikation) bis hin zum
Innenwiderstand des Geräts:
Eine korrekte Strommessung setzt voraus, dass der Innenwiderstand kleiner ist als
der der Schaltung ist; für Spannungsmessung muss der Innenwiderstand größer sein
als der Widerstand über dem die zu messende Spannung abfällt (vgl. Vortrag von Elfi
Petterich).
Digitalmultimeter ohne True-RMS sind nur in Lage die Effektivwerte von sinusförmigen Strömen und Spannungen mit 50Hz korrekt anzugeben. Wie weiter oben schon
erwähnt sind in der Schaltung zum Messen von Wechselspannungen/-strömen
Gleichrichter eingebaut. Sie dienen sozusagen als Betragsbildner. Der AD-Wandler
misst dann den arithmetischen Mittelwert des Signals. Um auf den eigentlich interessierenden Effektivwert zu kommen muss noch mit dem Faktor 10/9 multiplizert werden. Für nicht sinusförmige Signale ist dies Rechnung aber nicht richtig (dazu in anderem Referat mehr).
Digitalmultimeter sind keine ausgewiesenen Präzisionsgeräte und bei Bedarf hoher
Genauigkeit sollten andere Messgeräte wie z.B. Labormultimeter verwendet werden.
4. Messfehler
Digitalmultimeter weisen zum einen Messfehler auf, die beim Umsetzen von analogen Signalen in digitale unvermeidlich sind. Des Weiteren haben die Umgebungsbedingungen und Ungenauigkeiten der Gerätebauteile Einfluss auf die Messung.
Die Abweichungen aufgrund der Umweltbedingung kann vernachlässigt werden,
wenn man das Gerät gemäß seiner Spezifikationen benutzt oder sind explizit angegeben.
Die typischen Abweichungen des Multimeters sind in eine Tabelle in der Anleitung
angegeben: Für jeden Messbereich findet man dort eine Angabe der Form:
0,6% + 3 Digits
Dies ist so zu deuten: Wird z. B. eine Spannung von 12,52V auf einer 4-stelligen Anzeige ausgegeben, so ist der Fehler:
12,52V*0,6%+0,01V*3=0,07512V+0,03V=0,11V
Digitalmultimeter haben, wie oben beschrieben, eine Batterie die für die Referenzspannung benötigt wird. Ist die Batterie verbraucht, wird dies angezeigt. In diesem
Fall sollte die Batterie unbedingt ausgetauscht werden, weil sonst die Messung nicht
mehr korrekt ist (Referenzspannung ist dann falsch), obwohl das Multimeter scheinbar noch funktioniert.
Ein paar typische Fehler von ADU
AD-Quantisierung
Digitalsignale haben diskrete Werte. Die Anzahl der Werte wird über die Bit-Zahl des Wandlers angegeben (z. B. 8bit entsprechen 28=256 Werten, Intervallnummern von 0 bis 255). Der Messbereich wird
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dann durch diese Anzahl geteilt, es ergibt sich also eine untere Auflösungsgrenze – Quantisierung
(systematischer Fehler).
Beispiel:
Messbereich 0-10V, 8bit: Auflösung= 10V/256=39,06mV
damit ergibt sich ein Quantisierungsfehler von 19,53mV
Abbildung 5: Quantisierungsfehler ([3] S.98)
Offsetfehler
entstehen, wenn die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie nicht durch den Ursprung verläuft. Folglich sind
die Messwerte systematisch zu niedrig oder zu hoch.
Abbildung 6: Offsetfehler ([3] S.99)
Verstärkungsfehler
machen sich dadurch bemerkbar, dass bei maximalem Einsangssignal die Anzeige nicht ihren Maximalwert anzeigt. Diese Fehler können meist einfach (z.B. durch ein Vorgeschaltetes Potentiometer –
Nullabgleich) ausgeglichen werden.
Abbildung 7: Verstärkungsfehler ([3] S.99)
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Nichtlinearität
In der Praxis sind die durch die Quantisierung erzeugten Stufen nicht immer gleich hoch. Die Abweichung einer Stufe von der Ideallinie nennt man differenzielle Nichtlinearität. Diese Fehler sind bei
Abbildung 8: Linearitätsfehler ([3] S.100)
Double-Slope-Wandlern sehr gering, weshalb sie sich für den Einsatz in DMM gut eignen.
Vorteile der Digitalmesstechnik
Im Gegensatz zu analogen Geräten bei denen der Zeiger eine Masse hat, das Instrument nur in einer bestimmten Lage betrieben und mechanisch nicht belastet werden darf und Parallaxenfehler (deshalb häufig der Spiegelstreifen) vermieden werden
müssen, ist das Ablesen und der Betrieb von Digitalmultimetern unkritisch.
Nachteile der Digitalmesstechnik
Wie bereits weiter oben angesprochen sind in Hand-DDM Batterien eingebaut. Eine
Stromversorgung ist in der Digitalmesstechnik unverzichtbar, da Operationsverstärker und andere Bauteile stets Energie benötigen, die nicht aus der Messschaltung
entnommen werden kann/darf. Zudem verleitet die digitale Angabe des Messwerts
die Fehle des Geräts zu übersehen. Die Anzeigegenauigkeit ist nicht unbedingt (sogar fast nie) die Messgenauigkeit!
Literatur:
[1] Becker/Bonfig/Hönig: Handbuch Elektrische Meßtechnik, Heidelberg, 2000
UBT: 80 ZQ 3200 B395 (2)
[2] Beuth, K.: Digitalmeßtechnik, Würzburg, 1998
UBT: 84 ZN 5600 B569 (10)
[3] Heyne, G.: Elektronische Meßtechnik, München, 1999
UBT: 80 ZQ 3200 H619
[4] Mühl, T.: Einführung in die elektrische Messtechnik, Stuttgart, 2001
UBT: 80 ZQ 3200 S356 (4)
[5] Schmusch, W.: Elektronische Messtechnik, Würzburg, 1998
UBT: 80 ZQ 3200 M945
Noch ganz nett:
http://de.wikipedia.org/wiki/Voltmeter
http://de.wikipedia.org/wiki/Analog-digital-Umsetzer
http://de.wikipedia.org/wiki/Digitalmultimeter
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http://www.pdf.conrad.de/jpgView.php?cat=7S&pg=1176&rz=jh
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http://www.pdf.conrad.de/jpgView.php?cat=7S&pg=1177&rz=jh
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