Principes fondamentaux de la mesure avec un multimètre numérique

Pratiquement tous les DMM disposent d’une fonction de mesure CC et CA. Le test de tension est couramment utilisé pour tester et vérifier les sorties d’instruments, de composants ou de circuits. La tension est toujours mesurée entre deux points, il faut donc deux sondes. Certains connecteurs et sondes DMM sont colorés : le rouge correspond au point positif sur lequel vous souhaitez effectuer une mesure et le noir au point négatif qui est généralement une référence ou une masse. Cependant, la tension est bidirectionnelle. Ainsi, si vous inversez les points positifs et négatifs, la tension mesurée sera simplement inversée.

Il existe généralement deux modes différents pour mesurer la tension : CA et CC. En général, CC est représenté par un V avec une ligne en pointillés et une ligne continue, alors que CA est représenté par un V avec une onde. Veillez à sélectionner la gamme et le mode corrects pour votre application.

^{Figure 1. Les mesures de tension CA (à gauche) et CC (à droite) sont couramment utilisées pour tester et vérifier les sorties d’instruments, de composants ou de circuits.}

Il existe plusieurs termes et concepts que vous devez connaître pour mesurer une tension CA ou CC.

Résistance d’entrée

Un voltmètre idéal possède une résistance d’entrée infinie, de sorte que l’instrument ne tire aucun courant du circuit de test. Cependant, en réalité, il y a toujours une certaine résistance qui affecte l'exactitude des mesures. Pour minimiser ce problème, les sous-systèmes de mesure de tension d’un DMM sont souvent conçus pour avoir des impédances allant de quelques MΩ à quelques dizaines de MΩ. Si vous mesurez de basses tensions, même cette résistance peut suffire pour ajouter des imprécisions inacceptables à votre mesure. Pour cette raison, les gammes de tension inférieures ont souvent une option d’impédance plus élevée, telle que 10 GΩ.

Certains DMM vous permettent de sélectionner la résistance d’entrée. Pour la plupart des applications, plus l’impédance est élevée, plus la mesure est exacte. Cependant, dans certains cas, vous pouvez choisir l’impédance la plus basse. Par exemple, un conduit contenant de nombreux fils différents peut présenter un couplage entre les fils. Même si les fils sont ouverts et flottants, le DMM lit toujours une tension. Une impédance plus élevée ne suffit pas à éliminer ces tensions parasites, mais une faible impédance fournit un chemin à cette charge accumulée et permet au DMM de mesurer correctement 0 V. Par exemple, dans une gamme de tension inférieure, si des pistes sont proches les unes des autres sur un circuit.

Facteur de crête

Lors de la mesure de signaux CA (tension ou courant), le facteur de crête peut être un paramètre important pour déterminer la précision d’une forme d’onde spécifique. Le facteur de crête est le rapport entre la valeur de crête et la valeur efficace et permet de décrire les formes d’onde. En général, le facteur de crête est utilisé pour les tensions. Toutefois, il peut également être utilisé pour d’autres mesures telles que le courant. Techniquement, il est défini comme un nombre réel positif, mais il est le plus souvent spécifié comme un rapport.

^{Équation 2. Le facteur de crête est une mesure de l’amplitude des pics d’un signal}

Un signal constant sans pics a un facteur de crête de 1 car la valeur du pic et la valeur efficace du signal sont identiques. Pour un signal triangulaire, le facteur de crête est de 1,732. Des facteurs de crête plus élevés indiquent des pics plus nets et compliquent l’obtention d’une mesure CA précise.

^{Figure 2. Le facteur de crête d’un signal CA peut affecter l'exactitude}

Un multimètre CA, qui mesure en utilisant la valeur efficace vraie, spécifie l'exactitude en fonction d’un signal sinusoïdal. Grâce au facteur de crête, il indique le degré de distorsion d’un signal sinusoïdal qui peut être mesuré avec l'exactitude indiquée. Il inclut également toute autre erreur d'exactitude pour d’autres signaux, en fonction de leur facteur de crête.

Par exemple, si un DMM donné a une précision CA de 0,03 % de la lecture. Si vous mesurez un signal triangulaire, vous devez rechercher toute autre erreur avec un facteur de crête de 1,732. Pour les facteurs de crête entre 1 et 2, le DMM indique que l’erreur supplémentaire est de 0,05 % de la valeur mesurée. La précision de votre mesure est donc de 0,03 % + 0,05 %, soit un total de 0,08 % de la lecture. Comme vous pouvez le constater, le facteur de crête d’un signal peut avoir un impact important sur l'exactitude de la mesure.

Suppression d’offset

La plupart des DMM permettent de supprimer un offset. Ceci est utile pour éliminer les erreurs causées par les connexions et les fils lors d’une mesure de tension CC ou de résistance. Tout d’abord, vous sélectionnez le type et la gamme de mesure appropriés. Ensuite, connectez vos sondes et attendez qu’une mesure soit lue. Appuyez ensuite sur le bouton Suppression d’offset. Les lectures ultérieures soustraient la mesure nulle pour fournir une lecture plus précise.

Zéro automatique

Outre la suppression d’offset, vous pouvez également améliorer l'exactitude des mesures de tension et de résistance en activant une fonction appelée zéro automatique. La fonction Zéro automatique est utilisée pour compenser les offsets internes de l’instrument. Lorsque cette fonction est activée, le DMM effectue une mesure supplémentaire à chaque fois que vous effectuez une mesure. Cette mesure supplémentaire est effectuée entre l’entrée du DMM et sa masse. Cette valeur est ensuite soustraite de la mesure effectuée, soustrayant ainsi tout offset dans le chemin de mesure ou le C A/N. Bien qu’il puisse être très utile pour améliorer l'exactitude de la mesure, le zéro automatique peut augmenter le temps nécessaire pour effectuer une mesure.

Les mesures de courant CC et CA constituent une autre fonction de mesure courante. Bien que la tension soit mesurée en parallèle avec le circuit, le courant est mesuré en série avec le circuit. Vous devez donc couper le circuit, c’est-à-dire interrompre physiquement le flux de courant, afin d’insérer le DMM dans la boucle du circuit pour effectuer une mesure précise. Tout comme la tension, le courant est bidirectionnel. La notation est également similaire, mais avec un symbole A au lieu d’un V. Le A représente les ampères, l’unité de mesure du courant. Veillez à sélectionner la gamme et le mode corrects pour votre application.

^{Figure 3. Les mesures de courant CC (à gauche) et CA (à droite) sont utiles pour le dépannage des circuits ou des composants.}

Les DMM ont une petite résistance aux bornes d’entrée et mesurent la tension. Ils utilisent ensuite la loi d’Ohm pour calculer le courant. Le courant est égal à la tension divisée par la résistance. Pour protéger votre multimètre, évitez de désactiver la fonction de mesure de courant lorsque des courants traversent le circuit. Veillez également à ne pas mesurer accidentellement la tension en mode de mesure de courant, car cela pourrait faire sauter le fusible. Si vous faites sauter accidentellement le fusible, vous pouvez souvent le remplacer. Reportez-vous au manuel d’utilisation de votre instrument pour obtenir des informations détaillées.

Les DMM sont couramment utilisés pour mesurer des résistances ou d’autres composants tels que des capteurs ou des haut-parleurs. La mesure de résistance fonctionne en appliquant une tension CC connue sur une résistance inconnue en série avec une petite résistance interne. Il mesure la tension de test, puis calcule la résistance inconnue. Pour cette raison, ne testez l’appareil que lorsqu’il n’est pas sous tension ; sinon, vous risquez d’obtenir des lectures erronées. Gardez également à l’esprit qu’un composant doit être mesuré avant d’être inséré dans le circuit ; sinon, vous mesurez la résistance de tout ce qui est connecté au composant au lieu du composant lui-même.

L’un des avantages de la résistance est qu’elle est non directionnelle. Autrement dit, si vous échangez les sondes, la valeur mesurée reste la même. Le symbole d’une mesure de résistance est Ω, qui représente l’unité de mesure de la résistance. Veillez à sélectionner la gamme et le mode corrects pour votre application. Si l’écran affiche OL, cela signifie que la valeur est supérieure à la limite ou à ce que l’appareil peut mesurer dans cette gamme. Comme indiqué précédemment, l’utilisation de la fonction de suppression d’offset peut améliorer la lecture de vos mesures.

^{Figure 4. Les mesures de résistance sont couramment utilisées pour mesurer des résistances ou d’autres composants.}

De nombreux DMM offrent deux fonctions de mesure supplémentaires : le test de diode et le test de continuité.

Test de continuité

Le test de continuité vous permet de déterminer si deux points sont connectés électriquement. Cela peut s’avérer très utile lors du dépannage en cas de rupture de fils, de pistes de circuits imprimés ou de joints de soudure. Lors du test de continuité, il est essentiel de surveiller l’endroit exact où les sondes se touchent. C’est pourquoi la plupart des DMM émettent un son lorsqu’ils détectent un circuit fermé. Vous n’avez donc pas besoin de regarder vos sondes. Ainsi, le symbole de la continuité ressemble à une onde sonore.

^{Figure 5. Le test de continuité vous permet de déterminer si deux points sont connectés électriquement.}

Le test de continuité fonctionne comme une mesure de résistance ; il est donc essentiel que votre appareil ne soit pas sous tension lorsque vous effectuez le test. Il peut également être utile de s’assurer d’abord que tout est connecté en rapprochant les pointes de test pour vérifier le bip. Si vous n’entendez pas de son, vérifiez que les sondes sont bien connectées, que la batterie de votre DMM est suffisamment chargée et que vous utilisez le bon mode. Vous devez également consulter votre manuel d’utilisation pour déterminer le niveau de résistance requis pour déclencher le son, car il varie d’un modèle à l’autre.

Si vous testez un circuit comportant un grand condensateur, vous pouvez entendre un bip rapide, puis le silence. En effet, la tension appliquée par le DMM au circuit charge le condensateur et, pendant ce temps, le DMM considère que le circuit est fermé alors qu’il ne l’est pas vraiment.

Test de diode

Le test de diode présente la chute de tension directe de la diode en volts. Évidemment, le symbole est celui de la diode.

^{Figure 6. Le test de diode présente la chute de tension directe de la diode en volts.}

Le DMM force un petit courant à traverser la diode et mesure la chute de tension entre les deux fils de test. Lorsque vous mesurez une diode, vous devez placer la sonde positive du côté de l’anode et la sonde négative du côté de la cathode. La tension relevée est généralement d’environ 0,7 V pour le silicium, mais peut varier de 0,5 à 0,9 V et demeurer une diode fonctionnelle. La tension des diodes au germanium est généralement d’environ 0,3 V.

^{Figure 7. En général, il faut tester une diode avec la sonde positive du côté de l’anode et la sonde négative du côté de la cathode. Cependant, le fait de les intervertir peut également être révélateur.}

Ensuite, inversez les sondes pour que le négatif soit du côté de l’anode et le positif du côté de la cathode. Si la diode fonctionne correctement, le multimètre doit indiquer qu’il y a un circuit ouvert indiqué par OL.

Si une diode est défectueuse, il peut s’agir d’un court-circuit ou d’une diode ouverte. Si la diode ne s’est pas ouverte, le DMM affiche OL en polarisation directe et inverse car le courant qui la traverse est nul et équivaut à un circuit ouvert. Si la diode est court-circuitée, le DMM indique 0 V car il n’y a pas de chute de tension aux bornes de la diode.

Il est toujours important de tenir compte du bruit lors d’une mesure. Pour mieux comprendre votre instrument et le bruit associé à la mesure, vous devez connaître deux paramètres supplémentaires.

Le rapport de réjection en mode normal (NMRR) décrit la capacité du DMM à rejeter le bruit existant entre les deux bornes d’entrée, c’est-à-dire le bruit associé au signal mesuré. Ce bruit est principalement constitué d’une fréquence de ligne et de ses harmoniques. Souvent utilisé pour indiquer la capacité de l’instrument à rejeter un bruit de ligne d’alimentation de 50 ou 60 Hz, le NMRR n’est valable qu’à la fréquence spécifiée et est utile pour effectuer des mesures de courant continu. Le bruit en mode normal peut également être réduit par un blindage ou un filtrage.

Le rapport de réjection en mode commun (CMRR) décrit la capacité du DMM à rejeter le bruit commun aux deux bornes d’entrée, provenant par exemple d’un environnement bruyant. Le bruit en mode commun est généralement moins grave que le bruit en mode normal.

Le NMRR et le CMRR sont généralement spécifiés à 50 Hz et 60 Hz, et le CMRR est aussi souvent spécifié à une valeur CC. Les valeurs typiques sont respectivement supérieures à 80 dB et 120 dB.

• Le nombre de chiffres affichés sur un DMM n’est pas lié à la résolution, mais peut aider à déterminer le nombre de valeurs significatives qui peuvent être affichées et lues. 
• Pour la plupart des applications, plus l’impédance est élevée, plus la mesure de la tension est exacte.
• Des facteurs de crête plus élevés indiquent des pics plus nets et compliquent l’obtention d’une mesure CA précise.
• La fonction de suppression d’offset permet d’éliminer les erreurs causées par les connexions et les fils lors d’une mesure de tension CC ou de résistance.
• La fonction Zéro automatique est utilisée pour compenser les offsets internes de l’instrument.
• Pour mesurer le courant, vous devez couper le circuit afin d’insérer le DMM dans la boucle du circuit. 
• Une mesure accidentelle de la tension en mode courant risque de faire sauter un fusible.
• Les mesures de résistance et les tests de continuité doivent être effectués lorsque le circuit n’est pas alimenté.
• Le rapport de réjection en mode normal (NMRR) décrit la capacité du DMM à rejeter le bruit existant entre les deux bornes d’entrée.
• Le rapport de réjection en mode commun (CMRR) décrit la capacité du DMM à rejeter le bruit commun aux deux bornes d’entrée, provenant par exemple d’un environnement bruyant.