Multimetro Digital DMM

Multimetro digitale (DMM)

Il multimetro è uno strumento di misura che permette di effettuare misure principali come quelle di corrente, di tensioni, di resistenze e a volte anche misure più specifiche come capacità, temperatura, ecc.

Un multimetro analogico usa una lancetta che si muove lungo una scala graduata e non presenta nessuna alimentazione esterna infatti usa la corrente fornita dalla grandezza da misurare per muoversi. Un multimetro digitale visualizza il valore ottenuto dalla misurazione su un display (7 segmenti o cristalli liquidi). Rispetto al multimetro analogico presenta alcuni vantaggi come quelli di evitare l'errore di parallasse, posizionare lo strumento come meglio vogliamo senza influenzare la misura ed è dotato di un’accuratezza molto più elevata di quelli analogici.

Il multimetro digitale sa misurare una sola grandezza (tensioni continue), per misurare tutte le altre grandezze usa dei trasduttori. Inoltre nel multimetro sono presenti alcuni meccanismi meccanici che permettono di cambiare il fondo scala.

Concetti

• Numero di cifre: I dispositivi di visualizzazione del valore ottenuto una volta effettuata la misura sono solitamente display 7 segmenti. In ogni caso vengono assegnate dal costruttore un numero n di cifre piene (assumono valori da 0 a 9) e una mezza cifra (cifra più significativa che può assumere 0 o 1);
• Risoluzione: Dipende dal fondo scala; unità del peso della cifra meno significativa;
• Sensibilità: Risoluzione quando è impostato il fondo scala minimo;
• Accuratezza: Solitamente espressa in percentuale; utile per ricavare l'incertezza di caso peggiore pertanto il range (intervallo) dove cade sicuramente la misura;
• Categoria:
  • CAT I: Correnti, tensioni e potenze basse;
  • CAT II: Impianti elettronici domestici e aziendali;
  • CAT III: Carichi di potenza come motori;
  • CAT IV: Correnti, tensioni e potenze alte come quadri industriali e grandi impianti.

Principio di funzionamento

Il segnale analogico segue due percorsi differenti a seconda che si voglia effettuare una misura di grandezze continue o alternate e in entrambi i casi viene convertito in digitale tramite un ADC. Il convertitore utilizzato necessita di una tensione di riferimento costante per evitare errori di conversione (va effettuata una taratura periodica con un campione di riferimento operativo come la pila Weston). Dopo la conversione viene elaborato per essere visualizzato sul display.

Convertitori

• A valor istantaneo: Convertono il valore della tensione in un certo istante di tempo. Usato per esempio per visualizzare l’andamento di una funzione nel tempo.
• A valor medio: Misurano il valor medio della tensione durante un intervallo di tempo. Usato generalmente se si vuole misurare una tensione costante (grandezze costanti) per avere l’attenuazione (reiezione) di eventuali disturbi. I DMM usano questo processo.

Voltometro a doppia integrazione (conversione tensione-tempo)

L'oscillatore locale è stabile a breve termine. L'unità logica di controllo apre/chiude gli interruttori e abilita/disabilita i conteggi del clock. L'integratore svolge l’integrale del segnale, mentre il contatore conta i cicli dell’oscillatore. Il comparatore compara il livello della tensione rispetto allo 0 mandando livello alto o basso in uscita.

Per prima cosa l’unità logica scarica il condensatore dell’integratore chiudendo l’interruttore situato su di esso, resetta contatori e dopo di che sceglie la tensione Vx (tensione da misurare) tramite lo switch comandato. Segnale che indica quando inizia la conversione del segnale (in t₀).

Parte l’oscillatore logico. Impulso che permette all’interruttore iniziale di cambiare il segnale da Vx in -Ec. L’impulso avviene nell’istante generico t₁ pertanto fino ad allora il condensatore si carica grazie a Vx; dopo un tempo t₂, durante il quale è presente -Ec, il condensatore si scarica.

Fase di run-up

Dopo lo start (in t₀) si apre l’interruttore posto sul condensatore, il quale faceva iniziare l’integrazione del segnale. Durante la fase di run-up il comparatore manderà un’uscita positiva (sempre a livello alto) per un tempo t₁ - t₀ (overflow) durante il quale permetterà al contatore di contare i cicli di clock (tramite l’enable, composto dal comparatore e porta AND).

Fase di run-down

Grazie al segnale di cherry, all’ingresso abbiamo –Ec. Il contatore, azzerato dopo l’overflow, grazie all’enable conta i cicli di clock fino a quando l’uscita dell’integratore diventa nulla (o enable nullo, ovvero che il comparatore commuta allo stato basso chiudendo la porta AND). I cicli di clock totali sono proporzionali al segnale da misurare.

Durante la carica del condensatore il segnale Vx viene integrato dando vita ad una rampa decrescente per un tempo T_U (overflow). Dopo di che il segnale in ingresso cambia diventando -Ec costringendo il condensatore a scaricarsi per un tempo T_D portando così l’uscita dell’integratore a 0 fermando il conteggio dei cicli attraverso il comparatore.

Capiamo che pertanto dopo un tempo T_U+T_D l’uscita dell’integratore sarà zero a prescindere dal percorso seguito pertanto:
1 1 1 1 => Vx T_U = Ec T_D =>− + = 0 => Vx = =>
Vx = => Vx =

Incertezza

Vx non dipende dalla frequenza d’oscillazione del clock e dai componenti R - C. L’accuratezza di una misura dipende soltanto dalla stabilità della tensione di riferimento.