Digitalmultimeter

Ein Digitalmultimeter (kurz DMM) ist ein digitales Test- und Messgerät in der Elektrotechnik, das zum Messen von elektrischen Stromstärken, Spannungen und, je nach Ausführung, verschiedener anderer Messgrößen (ohmscher Widerstand, Kapazität, Induktivität, Temperatur) und zum Testen zum Beispiel von Transistoren verwendet wird.

Es arbeitet mit einem elektronischen Analog-Digital-Umsetzer (ADU, engl. ADC) und zeigt den Messwert mit einer LED- oder Flüssigkristallanzeige in Dezimalzahlen an. Manche Geräte ermöglichen auch eine Datenübertragung auf einen Rechner mittels einer seriellen Schnittstelle. Um die Vorteile einer Skalenanzeige zu erhalten, sind einige DMM zusätzlich im Display mit Zeiger und Skale ausgestattet.

Bis zur Einführung der digitalen Geräte waren Analogmultimeter üblich, vorzugsweise auf Basis eines Drehspulmesswerkes.

Ein Digitalmultimeter bei der Widerstandsmessung

Anzeigefeld eines DMM:
Ziffernanzeige kombiniert mit Skalenanzeige

Arbeitsweise

Ein digitales Multimeter kann mehrere elektrische Größen messen. Üblich sind Spannung, Stromstärke und Widerstand. Die Umschaltung der Messgrößen und -bereiche erfolgt meist mechanisch. Hochwertige DMM wählen den Spannungsmessbereich selbst und können sich gegen Überlastung und Überspannungen schützen.

ADU nach dem Dual-Slope-Verfahren

Herzstück eines DMM ist der ADU. Die meisten DMM arbeiten mit einem Umsetzer nach dem Dual-Slope-Verfahren, siehe dazu unter Analog-Digital-Umsetzer oder Digitale Messtechnik. Bei diesem integrierenden Verfahren wird der arithmetische Mittelwert des Spannungssignals gemessen durch den Vergleich mit einer eingebauten Referenzspannung. Die Dauer, in der die zu messende Spannung integriert bzw. über die gemittelt wird, liegt typisch bei 100 … 300 ms.

Eigenschaften des Dual-Slope-Verfahrens:

• primär nur Gleichspannung messend,
• kostengünstig,
• langzeitstabil; Veränderungen der Kapazität, des Eingangswiderstandes und der Taktfrequenz fallen durch das vergleichende Verfahren aus dem Ergebnis heraus;
• gut störunterdrückend bezüglich Brumm- und Rauschspannungen,
• langsam; an das menschliche Reaktionsvermögen zur Ablesung angepasst.

Multimeterfunktionen

Gleichspannung

Der kleinste Messbereich reicht überwiegend bis 200 mV. Standardgeräte lösen einen Messbereich in 2000 Messpunkte auf, damit beträgt der kleinste Messschritt 100 μV. Höherwertige Geräte können um eine oder gar mehrere Zehnerpotenzen feiner auflösen. Die Messbereichsumschaltung erfolgt durch einen umschaltbaren Spannungsteiler vor dem ADU. Die Teilung wird in Schritten einer ganzen Zehnerpotenz vorgenommen (anders als bei Analogmultimetern mit typisch zwei Messbereichen pro Zehnerpotenz). Der höchste Messbereich darf allerdings nur bis z. B. 700 V verwendet werden. Der Eingangswiderstand liegt typisch in allen Messbereichen bei

1 … 10 MΩ || 70 … 100 pF.

Wechselspannung

Sinusförmige Wechselspannung, gleichgerichtet, quadriert; dazu jeweils die Mittelwerte

Soll Wechselspannung gemessen werden, so ist ein Gleichrichter als Betragsbildner notwendig. In DMM ist dieser elektronisch so geschaltet, dass die bei manchen Analogmultimetern auftretenden Verzerrungen nahe dem Nullpunkt entfallen. Es wird der arithmetische Mittelwert der gleichgerichteten Wechselspannung (der Gleichrichtwert) gemessen. Bei einer Wechselspannung wird jedoch die Anzeige des Effektivwertes erwartet. In der Mehrzahl der Messaufgaben hat man es mit sinusförmigen Wechselgrößen zu tun. Dazu wird der gebildete Gleichrichtwert um den Formfaktor 1,11 (= π/√8) vergrößert angezeigt. Dabei ist der Formfaktor definiert als das Verhältnis Effektivwert zu Gleichrichtwert, der konkrete Wert 1,11 gilt nur für sinusförmigen Verlauf. Damit wird für sinusförmige Spannungen der Effektivwert angezeigt. Bei einem anderen Zeitverlauf wird diese Anzeige fehlerhaft, sie weicht teilweise katastrophal vom Effektivwert ab.

Digitalmultimeter, die den tatsächlichen Effektivwert (englisch true RMS) eines beliebigen Spannungsverlaufes messen können, sind mit einer Vorrichtung (integrierter Schaltkreis oder Software in einem Mikrocontroller) ausgestattet, die analog oder digital den Effektivwert errechnet. Analog arbeitende Bausteine zur Effektivwertbildung sind als integrierte Schaltung verfügbar, siehe unter Effektivwert. In höherwertigen Multimetern ist ihr Einbau inzwischen üblich.

Zur digitalen Effektivwertbildung sind sehr schnelle Umsetzer erforderlich, die sich allein schon aus Preisgründen (noch) nicht durchsetzen können.

Teilweise zeigen Digitalmultimeter im Wechselspannungsbereich auch bei Mischspannungen, also bei Spannungen, die einen Gleichanteil U_ und einen Wechselanteil u_~(t) enthalten, ausschließlich den Wechselanteil an; das ist bei Effektivwertbildung der Effektivwert des Wechselanteils U_~. Teilweise können Multimeter zur Effektivwertmessung den Effektivwert der Gesamtspannung messen, ohne dass vorher der Gleichanteil abgetrennt wird:

$U_{\mathrm {ges\;eff}}= \sqrt{{U_-}^2+{U_\sim}^2}$

Teilweise kann zwischen den zwei Möglichkeiten „AC“ oder „AC+DC“ gewählt werden.

Strom

Ein Multimeter mit vielen Messfunktionen für den professionellen Einsatz

Zur Strommessung wird die Spannung über einem eingebauten Messwiderstand R_mess gemessen – je nach Einstellung als Gleich- oder Wechselspannung. Zur Messbereichsumschaltung wird in der Regel der Widerstand umgeschaltet. Er ergibt sich zu

R_mess ≥ kleinster Spannungsmessbereich geteilt durch eingestellter Strommessbereich.

Beispiel: Im Strommessbereich 200 μA ist R_mess ≥ 200 mV / 200 μA = 1 kΩ.

Die meisten DMM sind daher anderen Strommessverfahren unterlegen, die mit wesentlich geringerem Spannungsabfall auskommen.

Zur Messung von Wechselstrom gilt dasselbe wie bei Wechselspannung.

Widerstand

Zur Widerstandsmessung enthält ein DMM eine elektronisch stabilisierte Konstantstromquelle, die einen von der Belastung unabhängigen Gleichstrom liefert. Bei Anschluss des zu messenden Widerstands an die Eingangsklemmen wird der Strom durch das Messobjekt geschickt, und die dabei entstehende Spannung wird gemessen, vorzugsweise im kleinsten Spannungsmessbereich. Zur Messbereichsumschaltung wird dann die Stromquelle umgeschaltet.

Beispiel: Mit I = 10,00 μA erhält man zusammen mit dem kleinsten Spannungs-Messbereich 200 mV einen Widerstands-Messbereich 20 kΩ.

Der Zusammenhang zwischen Messgröße und Anzeige ist eine Proportionalität, und man erhält recht genaue Messwerte. Die Fehlergrenze ergibt sich aus der Fehlergrenze für die Gleichspannungsmessung und der Fehlergrenze für die Justierung des Stromes. Die Qualität des Messwertes ist damit deutlich höher als bei Analogmultimetern mit einem Anzeigebereich ∞ … 0, bei denen das Ergebnis allein schon durch grobe Ablesemöglichkeit sehr ungenau wird.

Messabweichungen beim Digitalmultimeter

Abgleichabweichung für Nullpunkt und Empfindlichkeit

Abweichungen vom proportionalen Zusammenhang
a) additiv, b) multiplikativ, c) nicht linear

Die Kennlinie eines ADU (mit extrem feiner Stufung) ist eine Gerade durch den Nullpunkt und steht für die gewünschte Proportionalität zwischen Anzeige und Messgröße. Der Nullpunkt muss durch horizontale Verschiebung eingestellt werden. Die Empfindlichkeit muss durch Verdrehung (Änderung der Neigung der Kennlinie) eingestellt werden, siehe auch unter dem Stichwort Messgeräteabweichung. Beides ist nur innerhalb gewisser Fehlergrenzen möglich.

Quantisierungsabweichung

Dadurch, dass die Messgröße nur schrittweise abgebildet wird, entsteht eine Quantisierungsabweichung.

Linearitätsabweichung

Diese Messabweichung ist deutlich kleiner als die typisch auftretenden Abgleichabweichungen. Man unterscheidet zwischen

integraler Linearitätsabweichung durch eine Nicht-Linearität der Kennlinie,

differenzieller Linearitätsabweichung durch ungleiche Breite benachbarter Quantisierungsschritte.

Die Grenzen von Nullpunkts-, Quantisierungs- und Linearitäts-Abweichungen sind Konstanten über den ganzen Messbereich, die Grenze der Empfindlichkeitsabweichung ist proportional zum Messwert. Zusammengefasst erhält man diese als Fehlergrenze G des Messgerätes aus zwei Summanden,

z. B. G = 0,2 % v. M. + 1 Digit

= 0,2 % v. M. + 0,05 % v. E. , falls das Gerät in 2000 Schritte (Digit) auflöst.

Die Abkürzungen „v. M.“ und „v. E.“ gemäß Sprachregelung in DIN 43751 stehen für „vom Messwert“ und „vom Endwert“.

Einflusseffekte

Die bisher genannten Grenzwerte gelten für die Eigenabweichung bei Betrieb unter festgelegten Bedingungen. Wird von diesen Referenzbedingungen abgewichen, so können Einflusseffekte die Messabweichung des Messgerätes erhöhen. Die Problematik ist dieselbe wie bei analogen Messgeräten; zur Erläuterung der Begriffe siehe unter Genauigkeitsklasse.

Temperatur

Digitale Multimeter sind üblicherweise nach DIN 43751 auf eine der Temperaturen 20, 23 oder 25 °C justiert. Bei Änderung der Temperatur des Messgeräts ändern sich die elektrischen Eigenschaften seiner Komponenten. Durch Einflusseffekte wird die Messgeräteabweichung möglicherweise größer. Der Einfluss der Temperatur auf den Messwert wird mit Hilfe einer Kenngröße angegeben.

Kurvenform

Die Kurvenform der Messgröße kann durch verschiedene Kennwerte beschrieben werden. Eine dieser Größen ist der Scheitelfaktor (engl. Crestfactor) C, definiert als das Verhältnis von Amplitude zu Effektivwert. Für Gleichspannung gilt C = 1 und für sinusförmige Wechselspannung C = √2 = 1,414. Ist die Amplitude sehr viel größer als der Effektivwert (ist also C » 1), wie zum Beispiel bei Impulsen, kommt es zu Fehlmessungen.

Bei gleichrichtwert-bildenden Messgeräten für Wechselgrößen ist die Sinusform zwingend, sonst können erhebliche Abweichungen auftreten. Bei effektivwertbildenden DMM ist die Kurvenform typisch bis C = 7 von geringem Einfluss, wenn die Grundfrequenz nicht allzu hoch ist (50 bis teilweise 400 Hz).

Berechnung der Fehlergrenze

Beispiel (Mindestwert der Fehlergrenze):

Das Messgerät wird unter denselben Bedingungen betrieben wie bei seiner Justierung. Anzeige U = 193,4 V; Angabe des Herstellers: G = 0,2 % v. M. + 1 Digit

$G_1 = (0{,}002 \cdot 193{,}4\,\mathrm{V} + 0{,}1\,\mathrm{V}) = 0{,}5\,\mathrm{V}$

Beispiel (Ausweitung der Fehlergrenze durch Einfluss):

Das Messgerät wird in einer Umgebungstemperatur von 35 °C betrieben. Der Hersteller gibt die obige Fehlergrenze für einen Referenzwert 23 °C an. Für den Betrieb bei anderer Temperatur sei eine weitere Angabe des Herstellers eine bezogener Zusatzabweichung: (0,05 % v.M. + 2 Digit)/10 K

$G_2 = (0{,}0005 \cdot 193{,}4\,\mathrm{V} + 0{,}2\,\mathrm{V}) \cdot 12\,\mathrm{K} / 10\,\mathrm{K} = (0{,}2967\,\mathrm{V}) \cdot 1{,}2 = 0{,}4\,\mathrm{V}$

$\ G_{\mathrm{ges}}=G_1+G_2$

Siehe auch

• Arithmetischer Mittelwert und Effektivwert bzw. quadratischer Mittelwert verschiedener Spannungsformen
• Messkategorie
• Messtechnik
• SMU