Grundlagen zu Messungen mit Digitalmultimetern

Praktisch jedes DMM verfügt über eine DC- und eine AC-Messfunktion. Spannungstests werden häufig verwendet, um die Ausgänge von Geräten, Bauelementen oder Schaltungen zu testen und zu verifizieren. Die Spannung wird immer zwischen zwei Punkten gemessen, so dass zwei Sonden benötigt werden. Manche DMM-Anschlüsse und -Sonden sind eingefärbt. Rot ist für den positiven Punkt gedacht, der tatsächlich gemessen werden soll, und Schwarz ist für den negativen Punkt gedacht, der in der Regel ein Bezugspunkt oder die Masse ist. Die Spannung ist jedoch bidirektional. Wenn Sie also die positiven und negativen Punkte umschalten, wird die gemessene Spannung einfach invertiert.

Es gibt in der Regel zwei verschiedene Modi für die Spannungsmessung: AC und DC. In der Regel wird DC als V mit einer gestrichelten Linie und einer durchgehenden Linie dargestellt, während AC als V mit einer Welle dargestellt wird. Stellen Sie sicher, dass Sie den richtigen Bereich und Modus für Ihre Anwendung auswählen.

^{Abbildung 1: Wechselstrom- (links) und Gleichstrom-Messungen (rechts) werden üblicherweise zum Testen und Verifizieren der Ausgänge von Geräten, Bauelementen oder Schaltungen verwendet.}

Beim Messen von Wechsel- oder Gleichspannung sollten Sie mit verschiedenen Begriffen und Konzepten vertraut sein.

Eingangswiderstand

Ein ideales Voltmeter hat einen unendlichen Eingangswiderstand, so dass das Gerät keinen Strom aus dem Testschaltkreis zieht. In der Realität gibt es jedoch immer einen Widerstand, der die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Um dieses Problem zu minimieren, sind die Spannungsmess-Subsysteme eines DMMs oft so ausgelegt, dass sie Impedanzwerte im Bereich von 1 bis 10 MΩ haben. Doch wenn Sie niedrige Spannungen messen, kann selbst dieser Widerstand ausreichen, damit nicht tolerierbare Ungenauigkeiten Teil Ihrer Messung werden. Niedrigere Spannungsbereiche verfügen daher oft über noch höhere Impedanzen, z. B. 10 GΩ.

Bei manchen DMMs können Sie den Eingangswiderstand auswählen. Bei den meisten Anwendungen kann gesagt werden, dass je höher die Impedanz, desto genauer die Messung ist. Es gibt jedoch einige Fälle, in denen Sie vielleicht die niedrigere Impedanz wählen möchten. So kann z. B. ein Kanal mit vielen verschiedenen Verbindungen gekoppelt sein. Obwohl die Drähte offen und potentialfrei sind, liest das DMM immer noch eine Spannung. Die höhere Impedanz reicht nicht aus, um diese Streuspannungen zu beseitigen, aber eine niedrige Impedanz bietet einen Pfad für diese eingebaute Ladung und ermöglicht es dem DMM, 0 V korrekt zu messen. Ein Beispiel dafür ist bei einem niedrigeren Spannungsbereich, wenn Sie in einer Schaltung nahe beieinander liegende Abläufe haben.

Scheitelfaktor

Bei der Messung von Wechselsignalen (Spannung oder Strom) kann der Scheitelfaktor ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der Genauigkeit für einen bestimmten Signalverlauf sein. Der Scheitelfaktor ist das Verhältnis des Spitzenwerts zum Effektivwert und dient zur Beschreibung von Signalverläufen. Der Scheitelfaktor wird in der Regel für Spannungen verwendet, kann aber auch für andere Messungen wie Strom verwendet werden. Er wird technisch als positive reelle Zahl definiert, aber meistens als Verhältnis angegeben.

^{Gleichung 2: Der Scheitelfaktor ist ein Maß dafür, wie extrem die Spitzen in einem Signalverlauf sind}

Ein konstanter Signalverlauf ohne Spitzen hat einen Scheitelfaktor von 1, da der Spitzenwert und der Effektivwert des Signalverlaufs gleich sind. Bei einer Dreieckschwingung hat der Signalverlauf einen Scheitelfaktor von 1,732. Höhere Scheitelfaktoren deuten auf außergewöhnlichere Spitzenwerte hin und machen es schwieriger, eine genaue AC-Messung zu erhalten.

^{Abbildung 2: Der Scheitelfaktor eines AC-Signals kann die Genauigkeit beeinflussen.}

Ein AC-Multimeter, das den Effektivwert misst, gibt die Genauigkeit auf der Grundlage einer Sinusschwingung an. Es gibt über den Scheitelfaktor an, wie viel Verzerrung eine Sinusschwingung haben kann und trotzdem innerhalb der angegebenen Genauigkeit gemessen werden kann. Es enthält auch zusätzliche Genauigkeitsfehler für andere Signalverläufe, abhängig von ihrem Scheitelfaktor.

Beispiel: Ein DMM hat eine AC-Genauigkeit von 0,03 % des Messwerts. Sie messen eine Dreieckschwingung. Daher müssen Sie nach zusätzlichen Fehlern mit einem Scheitelfaktor von 1,732 suchen. Das DMM gibt an, dass für Scheitelfaktoren zwischen 1 und 2 ein zusätzlicher Fehler von 0,05 Prozent des Messwerts auftritt. Ihre Messung hat dann eine Genauigkeit von 0,03 % + 0,05 %, was insgesamt 0,08 % des Messwerts entspricht. Wie Sie sehen, kann der Scheitelfaktor eines Signalverlaufs einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung haben.

Nullabgleich durchführen

Die meisten DMMs bieten die Möglichkeit, einen Nullabgleich durchzuführen. Dies ist nützlich, um Fehler zu beseitigen, die durch Verbindungen und Verbindungen verursacht werden, wenn eine Gleichspannungs- oder Widerstandsmessung durchgeführt wird. Zuerst wählen Sie die richtige Messart und den richtigen Messbereich aus. Anschließend verbinden Sie Ihre Sonden miteinander und warten Sie, bis eine Messung gelesen wird. Wählen Sie dann den Knopf „Nullabgleich durchführen“ aus. Bei nachfolgenden Messwerten wird der Nullwert abgezogen, um einen genaueren Messwert zu erhalten.

Automatischer Nullabgleich

Neben dem Nullabgleich kann die Genauigkeit der Spannungs- und Widerstandsmessung auch durch die Aktivierung einer Funktion namens „Autom. Nullabgleich“ verbessert werden. Mit dem „Autom. Nullabgleich“ werden interne Instrumenten-Offsets ausgeglichen. Wenn die Funktion aktiviert ist, führt das DMM für jede Messung eine zusätzliche Messung durch. Diese zusätzliche Messung wird zwischen dem DMM-Eingang und seiner Masse durchgeführt. Dieser Wert wird dann von der Messung subtrahiert, wodurch Offsets im Messpfad oder im A/D-Wandler subtrahiert werden. Obwohl es sehr hilfreich sein kann, die Genauigkeit der Messung zu verbessern, kann der autom. Nullabgleich die Zeit für die Durchführung einer Messung erhöhen.

Eine weitere gängige Messfunktion ist die Messung von Gleichstrom und Wechselstrom. Obwohl die Spannung parallel zur Schaltung gemessen wird, wird der Strom in Reihe mit der Schaltung gemessen. Das bedeutet, dass Sie den Stromkreis trennen müssen – also den Stromfluss physisch unterbrechen –, um das DMM in die Stromkreisschleife einzufügen und eine genaue Messung durchzuführen. Ähnlich wie bei Spannungen ist der Strom bidirektional. Die Schreibweise ist ähnlich, jedoch mit einem A anstelle von V. Das A steht für Ampere, die Einheit für Strom. Stellen Sie sicher, dass Sie den richtigen Bereich und Modus für Ihre Anwendung auswählen.

^{Abbildung 3: Gleichstrommessungen (links) und Wechselstrommessungen (rechts) sind bei der Fehlersuche in Schaltkreisen oder Bauelementen hilfreich.}

DMMs haben einen kleinen Widerstand an den Eingangsanschlüssen, der die Spannung misst. Anschließend wird der Strom anhand des Ohmschen Gesetzes berechnet. Der Strom entspricht der Spannung dividiert durch den Widerstand. Um Ihr Multimeter zu schützen, sollten Sie vermeiden, die Strommessfunktion auszuschalten, wenn Strom durch die Schaltung fließt. Sie sollten auch darauf achten, dass Sie im Strommessmodus nicht versehentlich die Spannung messen. Dies kann zum Durchbrennen der Sicherung führen. Wenn Sie die Sicherung versehentlich durchbrennen, können Sie sie oft ersetzen. Weitere Informationen finden Sie in der Bedienungsanleitung Ihres Geräts.

Widerstandsmessungen werden häufig zur Messung von Widerständen oder anderen Bauelementen wie Sensoren oder Lautsprechern verwendet. Die Widerstandsmessung funktioniert, indem eine bekannte Gleichspannung auf einen unbekannten Widerstand in Reihe mit einem kleinen internen Widerstand angelegt wird. Das DMM misst die Prüfspannung und berechnet dann den unbekannten Widerstand. Testen Sie das Gerät daher nur, wenn es nicht mit Strom versorgt ist. Ansonsten ist bereits eine Spannung in der Schaltung vorhanden und Sie können falsche Messwerte erhalten. Beachten Sie auch, dass ein Bauelement vor dem Einfügen in die Schaltung gemessen werden sollte. Anderenfalls messen Sie den Widerstand von allem, was mit dem Bauelement verbunden ist, und nicht nur des Bauelements selbst.

Das Schöne am Widerstand ist, dass er ungerichtet ist, d. h., wenn Sie die Sonden anders herum anstecken, ist der Messwert immer noch gleich. Das Symbol für eine Widerstandsmessung ist ein Ω, das die Einheit des Widerstands darstellt. Stellen Sie sicher, dass Sie den richtigen Bereich und Modus für Ihre Anwendung auswählen. Wenn die Anzeige OL liest, bedeutet das, dass der Wert über dem Grenzwert liegt oder größer ist, als das Messgerät in diesem Bereich messen kann. Wie bereits erwähnt, kann die Verwendung des Nullabgleichs Ihre Messwerte verbessern.

^{Abbildung 4. Widerstandsmessungen werden häufig zur Messung von Widerständen – gemeint ist dabei das Bauelement direkt – oder auch anderen Bauelementen verwendet.}

Viele DMMs bieten zwei zusätzliche Messfunktionen: Diodentests und Durchgangstests.

Durchgangstests

Mit einem Durchgangstest können Sie erkennen, wann zwei Punkte elektrisch miteinander verbunden sind. Dies kann bei der Fehlersuche bei Verbindungsbrüchen, Leiterplatten-Spuren (PCBs) oder Lötverbindungen sehr hilfreich sein. Beim Testen des Durchgangs ist es unerlässlich, genau zu überwachen, wo die Sonden berührt werden. Daher geben die meisten DMMs beim Erkennen eines geschlossenen Schaltkreises einen Schall aus, so dass Sie nicht von Ihren Sonden aufschauen müssen. Daher sieht das Symbol für den Durchgang wie eine Schallwelle aus.

^{Abbildung 5. Mit dem Durchgangstest können Sie erkennen, wann zwei Punkte elektrisch miteinander verbunden sind.}

Durchgangstests funktionieren genauso wie Widerstandsmessungen. Daher ist es wichtig, dass Ihr Gerät während des Tests nicht mit Strom versorgt wird. Es kann auch hilfreich sein, zuerst sicherzustellen, dass alles angeschlossen ist, indem Sie die Spitzen Ihrer Testsonden zusammenführen, um den Signalton zu überprüfen. Wenn Sie kein Geräusch hören, vergewissern Sie sich, dass die Sonden fest verbunden sind, dass Ihr DMM eine ausreichende Batterielebensdauer hat und dass Sie sich im korrekten Modus befinden. Sie sollten auch in Ihrem Benutzerhandbuch nachschauen, um zu ermitteln, welcher Widerstand für das Auslösen des Schalls erforderlich ist, da er von Modell zu Modell unterschiedlich ist.

Wenn Sie einen Stromkreis mit einem großen Kondensator testen, hören Sie möglicherweise einen kurzen Signalton und dann nichts. Das liegt daran, dass die Spannung, die das DMM auf den Schaltkreis anlegt, den Kondensator auflädt, und während dieser Zeit denkt das DMM, dass es sich um einen geschlossenen Schaltkreis handelt, wenn dies nicht wirklich der Fall ist.

Diodentest

Bei Diodentests wird der Abfall der Vorwärtsspannung der Diode in Volt angezeigt. Das Symbol ist – nicht überraschend – das Diodensymbol.

^{Abbildung 6. Bei Diodentests wird der Abfall der Vorwärtsspannung der Diode in Volt angezeigt.}

Das DMM führt einen geringen Strom durch die Diode und misst den Spannungsabfall zwischen den beiden Testleitungen. Wenn Sie eine Diode messen, stellen Sie sicher, dass die positive Sonde auf der Anodenseite und die negative auf der Kathodenseite liegt. Die gemessene Spannung beträgt bei Silizium in der Regel etwa 0,7 V, kann aber auch im Bereich von 0,5 bis 0,9 V liegen. In diesem Bereich können Dioden weiterhin funktionieren. Germaniumdioden liegen in der Regel bei etwa 0,3 V.

^{Abbildung 7. Normalerweise wird eine Diode so getestet, dass sich die positive Sonde auf der Anodenseite und die negative auf der Kathodenseite befindet. Das Umschalten kann jedoch auch aufschlussreich sein.}

Schalten Sie anschließend die Sonden so, dass sich der negative Wert auf der Anodenseite und der positive Wert auf der Kathodenseite befindet. Wenn die Diode ordnungsgemäß funktioniert, sollte das Multimeter anzeigen, dass eine Unterbrechung vorliegt, die mit OL angezeigt wird.

Wenn eine Diode defekt ist, kann dies entweder ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung der Diode sein. Wenn die Diode nicht geöffnet hat, zeigt das DMM sowohl in Durchlass- als auch in Sperrrichtung OL an, da der durchfließende Strom Null ist und einem offenen Stromkreis entspricht. Wenn die Diode kurzgeschlossen ist, zeigt das DMM 0 V an, da an der Diode kein Spannungsabfall auftritt.

Es ist immer wichtig, das Rauschen bei einer Messung zu berücksichtigen. Es gibt zwei zusätzliche Parameter, mit denen Sie vertraut sein sollten, um Ihr Gerät und das dazugehörige Rauschen der Messung besser zu verstehen.

Das Gegentaktunterdrückungsverhältnis (NMRR) beschreibt die Fähigkeit des DMM, Rauschen, das zwischen den beiden Eingangsanschlüssen auftritt, also das mit dem gemessenen Signal vermischte Rauschen, zu unterdrücken. Der Großteil dieses Rauschens ist eine Linienfrequenz und ihre Harmonischen. Das Gegentaktunterdrückungsverhältnis, das häufig verwendet wird, um die Fähigkeit des Geräts anzuzeigen, Netzrauschen von 50 oder 60 Hz zu unterdrücken, gilt nur für die angegebene Frequenz und ist bei Gleichstrommessungen nützlich. Das Rauschen im Normalmodus kann auch durch Abschirmung oder Filterung reduziert werden.

Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) beschreibt die Fähigkeit des DMM, Rauschen zu unterdrücken, das an beiden Eingangsanschlüssen vorhanden ist, z. B. in einer störungsreichen Umgebung. Gleichtaktrauschen ist normalerweise weniger stark ausgeprägt als Gegentaktrauschen.

NMRR und CMRR werden in der Regel bei 50 Hz und 60 Hz angegeben, und CMRR wird oft auch bei einem DC-Wert angegeben. Typische Werte sind größer als 80 dB bzw. 120 dB.

• Die Anzahl der Stellen der Anzeige eines DMMs hängt nicht von der Auflösung ab, kann aber dazu beitragen, die Anzahl der signifikanten Werte zu bestimmen, die angezeigt und gelesen werden können. 
• Bei den meisten Anwendungen kann gesagt werden, dass je höher die Impedanz, desto genauer die Spannungsmessung ist.
• Höhere Scheitelfaktoren deuten auf außergewöhnlichere Spitzenwerte hin und machen es schwieriger, eine genaue AC-Messung zu erhalten.
• Der Nullabgleich kann verwendet werden, um Fehler zu beseitigen, die durch Verbindungen und Verbindungen verursacht werden, wenn eine Gleichspannungs- oder Widerstandsmessung durchgeführt wird.
• Mit dem „Autom. Nullabgleich“ werden interne Instrumenten-Offsets ausgeglichen.
• Bei Strommessungen muss der Stromkreis unterbrochen werden, um das DMM in die Stromkreisschleife einzufügen. 
• Wenn Sie im Strommodus versehentlich eine Spannung messen, kann dies zum Durchbrennen einer Sicherung führen.
• Widerstandsmessungen und Durchgangstests sollten durchgeführt werden, wenn der Stromkreis nicht mit Strom versorgt wird.
• Das Gegentaktunterdrückungsverhältnis (NMRR) beschreibt die Fähigkeit des DMM, Rauschen, das zwischen den beiden Eingangsanschlüssen auftritt.
• Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) beschreibt die Fähigkeit des DMM, Rauschen zu unterdrücken, das an beiden Eingangsanschlüssen vorhanden ist, z. B. in einer störungsreichen Umgebung.