Multimeter tutorial

Gepost door Jeroen Vreuls op maandag 11 juli 2011 20:51

Specificaties

Je zult merken dat er enorme verschillen zijn tussen wat er in de folders staat. De ene fabrikant heeft pagina lange tabellen met specs. De ander komt niet verder dan 10 regels. Ga er maar van uit dat een goede meter een lange lijst geeft. Wat goed is wil je graag vermelden. Staat er iets niet in dan is dat vaak omdat het niet zo best is of ze vermelden alleen het beste cijfer. Je weet dan dus niet in welke situatie dat is. Hoe langer die lijsten, hoe groter de kans dat de meter goed is.

Rin voor DC

Je zag dat de inwendige weerstand, ook wel Zin of Rin genoemd in de datasheets best belangrijk is. De gemiddelde digitale meter is tegenwoordig 10 MOhm. Maar let op, die waarde is niet voor elk bereik gelijk. Meestal is er een bepaald bereik waarbij de spanning direct de meet schakeling in gaat. Hierbij zit er geen parallel weerstand en dan is de inwendige weerstand vaak veel hoger. Tenminste als ze heel gevoelige hoogohmige opamps gebruiken maar die zijn ook heel kwetsbaar dus dat vergt weer dure beveiligingen. Daarom staat er meestal per bereik een weerstand. Bijvoorbeeld meer dan 10 GOhm bij 100 mV, 1 V en 10 V en 10 MOhm bij de bereiken daarboven. Staat er alleen 10 MOhm dan is het de vraag wat hij doet bij lagere bereiken. Dat zou best wel eens (veel) minder dan 10 MOhm kunnen zijn.

Rin voor AC

Parallel aan de ingang zit ook nog (parasitaire) capaciteit (bijvoorbeeld 100 pF) en naarmate de frequentie stijgt wordt de reactantie van die capaciteit kleiner. Er lekt dus stroom door en de ingangsimpedantie van de meter neemt af maar tegelijk nemen de meetfouten toe. Een gangbare waarde bij goede meters is 1 MOhm. Meestal wordt het hier niet per bereik opgegeven maar soms wel. Dan worden het lange lijsten omdat het ook frequentie afhankelijk is.

Accuratie

Dat heeft een link met calibratie. Calibratie is niets anders dan het instrument vergelijken met "een" standaard en opschrijven hoeveel de afwijking is. Justeren is het weer juist afstellen van het apparaat.

Een van de belangrijkste dingen; accuratie hoort per bereik en per tijd te worden aangegeven. Dus bijvoorbeeld 1 V bereik, 0,01% +/- 5 gedurende 24 uur, 0,015% +/- 6 na 30 dagen enzovoort, meestal tot een jaar. Maar daarbij speelt nog iets anders. Er bestaat zo iets als absolute accuratie en relatieve. Absoluut is tegenover "de" standaard. De direct van tijd, lengte en massa afgeleide absolute grootheden. In Amerika bijvoorbeeld bewaard bij het NIST, hier is dat VSL. Een relatieve accuratie is tegenover een secundaire of nog lagere standaard.

Als er niks bij staat is het de vraag hoe goed dus die cijfers werkelijk zijn. Een Keithley komt bijvoorbeeld met een calibratie certificaat. Dat is de afwijking van het apparaat tegenover "hun" standaard. Bij dit soort firma's zijn die standaards weer direct "traceable" zoals dat heet naar een absolute standaard. Als het apparaat de deur uit gaat moet het binnen de gestelde norm voor accuratie vallen tegenover hun eigen standaard. Ga er maar van uit dat dat ook akelig goed klopt. Ook bij de topmodellen van andere merken is dat het geval. Maar stel je voor dat je 1000 multimeters per dag maakt, die 50 euro in de winkel gaan kosten. Die worden niet gecalibreerd. Het apparaat wordt ontworpen en gezien de tolerantie van de onderdelen en meting aan het testmodel zou de accuratie van het productiemodel X% moeten zijn. Daarna wordt het in massa in elkaar gezet en als er een afregelmogelijkheid zit dan wordt dat snel even gedaan met werkstandaardjes op de werkvloer. Deze worden, als het goed is, af en toe vergeleken met de fabriekstandaard welke op zijn beurt weer jaarlijks of vaker naar het nationaal instituut gaat. Daarom staat daar vaak alleen maar bijvoorbeeld 0,1% zonder te praten over bereiken en vaak niet eens over het soort meting. Ze zeggen dus helemaal niks. Net zoiets als tegenwoordig het aantal Watt bij audio installaties. Die cijfertjes zijn dus niet altijd direct vergelijkbaar.

Hieronder twee verschillende, de bovenste is de goedkoopste meter van Keithley en ongeveer 10x zo duur (1000 euro) als die eronder welke een van de duurdere modellen (< 100 euro) van Uni-T, een Chinees merk, is.

Nauwkeurigheid specificaties van een Keithley meterNauwkeurigheid specificaties van een Keithley meter

Je ziet hier bij deze 6,5 digit meter in de 100 mV range (maximale aflezing 199,999.9 mV) een resolutie van 0,1 µV. Dat klopt ook want dat is het laatste digit. Kijken we naar een jaar dan is dat 50 en 35 ppm. Ppm is parts per million en als je dat door 10.000 deelt krijg je procenten. Dat is gelijk aan 0,005% van de meting en 0,0035% van de volle schaal. Dit is tegenover hun eigen standaard, tegen meerprijs kun je hem tegen een nationale standaard gecalibreerd krijgen. Reken er maar op dat die eigen standaard een goede is en dat hij wordt bijgehouden.

Dat betekent dat wanneer we 100 mV op de display meten de echte waarde ergens tussen de 100,012 en 99,988 mV ligt. Ook de reactie op temperatuurverandering wordt getoond. Dit is een dure meter van een topmerk. Je ziet dat je hier dus al een onzekerheid van plus of min 12 µV hebt. Dat zijn de in dit geval de laatste twee digits die je een indicatie geven van welke kant de waarde op veranderd en of hij veranderd maar niet hoe hoog die waarde precies is. In dit geval kun je dus met zekerheid zeggen dat het signaal 100,0 mV is en er een grote kans is dat het 100,00mV zou kunnen zijn.

Hieronder vinden we bij deze 4,5 digit meter, voor de zelfde range, in dit geval 200 mV genoemd een waarde van 0,05% +5 digits. 199,99 is de maximale aflezing dus de resolutie is 0,01 mV. Dat staat er dan ook netjes achter. Alleen is het hier de vraag, 0,05% tegenover wat. Dit komt uit China en is massaproductie maar laten we positief blijven en er van uitgaan dat de eindcontrole en afregeling in de fabriek net zo precies is en er overal perfect bijgehouden tertiaire standaards staan waar tegen dat gebeurd (dream on :-)). Dan betekent dat hier dat we bij 100 mV op de display een waarde tussen de 100, 10 en 99,90 mV meten. De de laatste twee digits zijn in dit geval niet betrouwbaar maar het zal rond de 100 mV liggen. Bij het A model is dat dan 100,18 en 99,82. Je ziet dat dat weinig verschil maakt. Die 5 en die 8 is namelijk hier een grote bepalende factor.

Nauwkeurigheid specificaties van een Uni-T meterNauwkeurigheid specificaties van een Uni-T meter

Ander voorbeeld: 200 V range en we meten 025.00V dat wordt bij model A dus plus min 0,025+0,08 = 0,105 dus 25,10 (of ,11) tot 24,89 (of ,90) terwijl bij 180.00V het 0,18 + 0,08 = 0,26V wordt. Dat is in V een 2,5x zo grote afwijking als bij 25V, maar in percentage veel minder. Dat geeft allemaal niets, als je het maar weet en er rekening mee houdt. Als je alleen wil weten of er ongeveer 5V op de Vcc van een IC staat dan voldoet dat maar wil je een ADC afregelen of een referentie spanning precies op 5V zetten dan heeft het weinig zin. Je hebt dus altijd minstens een digit meer nodig dan je wil meten.

Er zijn genoeg meters waarbij de papieren accuratie zo laag is dat je eigenlijk van de bijvoorbeeld 4,5 digits er 3 kan vergeten en alleen gebruikt om te kijken welke kant de spanning opgaat bij iets afregelen. Over de absolute accuratie hebben we het dan maar niet.

Nu hebben we al wat getallen zien passeren. Er worden 3 soorten aanduidingen gebruikt: ppm, % en counts. Een meter die 1999 volle schaal heeft is een 2000 count meter. De accuratie kan in counts worden gegeven. Voorbeeld 50 count accuratie bij een 2000 count meter. Dan is 100.0 op het scherm 95.0 tot 105.0 in werkelijkheid. Ppm is parts per million en % oftewel procent wat parts per honderd betekent. Dat scheelt een factor 10.000. Dus 10 ppm is 0,001%. Verder staat er een eerste waarde. Dat is de correctie op wat er op je schempje staat en een tweede factor welke of een getal is wat je bij je uitlezing altijd nog extra moet corrigeren of een % van de volle schaal. Bij het voorbeeld hiervoor was dat dus een percentage van 200mV (OK, 199,99) of in het tweede geval een aantal counts wat je erbij moet tellen.

Maar het belangrijkste, wat zegt accuratie op zich? Vergeet niet, het is bijna altijd relatieve accuratie, op zich zelf zegt dat dus weinig, je moet hier op de reputatie van de fabriek afgaan. Als er een tijd bij staat weet je al iets meer, niet dat hij accurater is maar dat de accuratie die hij heeft ook nog enigszins stabiel is. Een multimeter gebruikt vaak een interne referentie waarmee hij zijn metingen vergelijkt. Bij alle batterij gevoede meters wordt op een gegeven moment de batterijspanning lager. De goede meters blijven tot een bepaalde spanning doormeten en zeggen dan dat de batterij leeg is. De meting blijft zijn accuratie houden. Er zijn echter veel goedkope meters die de batterij min of meer als referentie gebruiken. Ik heb er een gezien waarbij een weerstandsdeler deze referentie spanning bepaalde. De referentie zakt dan recht evenredig met de batterijspanning. Dat resulteert in veel te hoge meetwaarden, tot soms wel meer dan 3x te hoog, bij een leger wordende batterij. En dan vrolijk een accuratie van 0,5% of zo opgeven. Dat hoort 300% te zijn. Een meter waarbij je dit effect bemerkt is speelgoed en meer niet.

Digits

Meter met 20000 countMeter met 20000 count

Je vindt twee aanduidingen, zoveel digits en zoveel count. Deze laatste methode is het mooist. Als de display 39999 kan weergeven (met ergens een punt nog tussen) is het een 40.000 count meter. Hij kan tot 40.000 "counten". Je noemen dat ook een 5 3/4e (of andere commercieel klinkende breuk) digit meter. De eerste digit loopt namelijk maar tot 3. Bij een 5,5 digit wordt de eerste max 1. Het plaatje is een 20000 count display.

Resolutie

Al even eerder aangestipt. Dat is de kleinste verandering in de meetwaarde die nog zichtbaar is. Dus bij 199,99 mV is dat 0,01 mV. Iets wat er op lijkt is sensitiviteit of gevoeligheid maar dat loopt niet altijd gelijk. De 0,01 gevoelige meter die 199,99 kan weergeven kan pas bij een 0,01 verandering reageren. Dus 112,142 is 112,14 maar 122,149 ook en pas het 112,13 of 112,15 wordt verspringt hij. Maar er zijn er bij die bijvoorbeeld dan 0,005 doen. Dus bij 112,142 geeft hij 112,14 aan en wanneer het 112,147 wordt geeft hij 122,15 aan.

TRMS

Golftype Golfvorm RMS waarde Crest factor Crest factor (dB)
DC n.v.t. 1 1 0 dB
Sinus Sinus {1 \over \sqrt{2}} \approx 0.707 \sqrt{2} \approx 1.414 3.01 dB
Dubbelfasig gelijkgerichte sinus Dubbelfasig gelijkgerichte sinus {1 \over \sqrt{2}} \approx 0.707 \sqrt{2} \approx 1.414 3.01 dB
Enkelfasig gelijkgerichte sinus Enkelfasig gelijkgerichte sinus {1 \over 2} = 0.5 2 6.02 dB
Driehoek Driehoek {1 \over \sqrt{3}} \approx 0.577 \sqrt{3} \approx 1.732 4.77 dB
Blokgolf Blokgolf 1 1 0 dB
PWM signaal PWM signaal \sqrt{ \frac{t_1}T } \sqrt{ \frac T{t_1}} 20\log\sqrt{ \frac T{t_1}} dB

Bron: Wikipedia

Een meter kan wisselspanning of stroom meten in piek (peak) waarde of effectieve (RMS) waarde. Soms zie je nog bij duurdere oudere meters average maar dat was voor men goed RMS kon meten. De eerste meet de spanning door een gelijkrichting en geeft een waarde aan die hoort bij de gemeten waarde als het een perfecte sinus zou zijn.

Simpel voorbeeld. Neem een blokgolf die 1/10e deel van de tijd hoog is, en gelijkgericht een piek van 1 V geeft. Dan is de piekwaarde 1 V, de meter zal echter in RMS aangeven dus zegt dat de AC spanning 0,707 V is. De RMS waarde is echter een stuk lager want de dutycycle is veel lager. Een echte RMS meter ziet dat en geeft de echte effectieve waarde aan. Dus de hoogte van de spanning die je nodig hebt om met gelijkspanning de zelfde hoeveelheid stroom door een weerstand te laten lopen. Het verschil tussen de topwaarde en de RMS waarde is de crest factor. Nu wordt er al snel TRMS, true RMS geroepen maar de crestfactor zegt wat je daar aan hebt. Een crestfactor van 1 tot 2 zegt bijvoorbeeld dat je een driehoek, sinus en blok met ongeveer 50% dutycycle kunt meten. Bij een blok met een dutycycle van 10% praat je over een crestfactor van 3,16. Belangrijk als je aan een PWM signaal meet.

Maar er is meer bij AC meten. De frequentie speelt een rol. Meestal zijn de meters rond de 50-400Hz op hun best. Sommige meten bij 300KHz nog redelijk precies, andere geven er bij 10KHz al de brui aan. De (antieke) Fluke 8500 van de vijfde pagina heeft bijvoorbeeld een crestfactor van 9 en meet nog redelijk kloppend TRMS tot 1 MHz. Dat is zelfs nu nog indrukwekkend.

Maar een AC of DC signaal is niet altijd zo zwart wit als we denken. Als we 5 V meten met daarop een 2 V rimpel dan hoort de meter in AC 0,707 Vrms te geven en in DC 5 V. Daar onderscheiden zich de mannen van de jongens. Ik heb een keer een meting op een andere locatie gedaan en een simpel bouwmarktmetertje gaf bij een niet zo schone 13,8V uit een adapter ongeveer 16 V aan in DC, maar 35 V in de AC stand. De conclusie was dat de adapter dan wel defect zou zijn (en misschien het aangesloten apparaat). De boel meegenomen en de adapter aan een echte multimeter gehangen. Hij was inderdaad iets van 13,5 V (belast met de gebruiker) maar met een rimpel van zo'n 2 Vtt. In AC gaf de Agilent dan ook 0,7 Vrms (1 Vt / √2) aan en in de DC+AC stand dus 14,2 V. De scoop bevestigde dat. De ter plekke gebruikte meter was dus bagger.

Burden voltage

Stroom wordt meestal gemeten over een shunt weerstand in de meter. Meestal per bereik een andere weerstand. Dat betekent dat er spanning over die weerstand valt. Je meter staat in serie met je schakeling dus die krijgt minder spanning. Stel je hebt een 5 V voeding en daarmee stuur je wat TTL spul aan. Je wil weten hoeveel stroom er loopt en hangt je meter tussen voeding en schakeling. Maar dat is vreemd, je schakeling werkt ineens niet meer. Dan pak je een voltmeter en ziet dat er nog maar 4 V op je schakeling staat. Je meet daarna ook over je stroommeter en daar staat 1 V over.

Dat noemen we het burden voltage. Het voorbeeld hierboven is wat absurd, meestal is zo'n burden voltage heel laag in het µA of mA bereik maar er zijn situaties waarbij je daar wel degelijk rekening mee moet houden. Het hoort ook te worden vermeld in de specs.

NMRR en CMRR

Normal en common mode rejection ratio. Tijdens het meten pikt de meter ruis op. Ongewilde signalen die instralen op de kabels en schakeling, uit de voeding komen enzovoort. Deze worden door de meter er uit gefilterd. Hoe goed dat gebeurd wordt aangegeven in dB. Een goede NMRR is > 80dB, een goede CMRR is > 120dB.

Snelheid en filtering

Een digitale meter doet een aantal metingen per seconde. De samplerate. Daarvan pakt hij er een aantal, over een ingestelde tijdsduur bij elkaar en berekent daarvan het gemiddelde. Verder kan het nog zijn dat hij een "window" instelt waarbinnen een verandering niet resulteert in een display update. Dat soort dingen is meestal instelbaar. Meet je aan niet veranderende signalen dan is zo'n window en filter fijn. Je elimineert zo heel veel ongewilde effecten maar in andere situaties interesseert je die laatste digit helemaal niet en wil je gewoon snelheid. Dat de laatste twee digits dan staan te knipperen is geen ramp.

Er zijn nog meer eigenschappen maar die worden erg specialistisch.