Como Funciona um Multímetro Digital | DMM

Entender como um multímetro digital funciona ajuda você a aproveitar ao máximo suas vantagens e minimizar o impacto de suas desvantagens.

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Nosso tutorial do multímetro inclui:

Multímetro: Tutorial Básico | Multímetro Analógico | Como um Multímetro Analógico Funciona | Multímetro Digital | Como um Multímetro Digital Funciona | Precisão e Resolução de um DMM | Como Comprar o Melhor Multímetro Digital | Como usar um Multímetro | Como Medir a Tensão com um Multímetro | Medição de Corrente | Medição de Resistência | Medição de Capacitância | Teste de Diodo & Transistor | Encontrando Falhas em Circuitos de Radio Transistor

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Ao usar um multímetro digital, ajuda a entender como o instrumento de teste funciona. Desta forma, o melhor uso pode ser feito – entender como o DMM funciona, permite que as melhores configurações sejam selecionadas, etc.

Tendo em vista a tecnologia digital utilizada em vez dos mostradores analógicos, o DMM funciona de maneira muito diferente dos multímetros analógicos mais antigos. O DMM usa tecnologia de conversão analógica para digital e também é capaz de fornecer muito mais recursos de medição porque adicionar medições extras ao IC básico não aumenta significativamente o custo.

As medições básicas feitas por qualquer multímetro são amperes, volts e ohms (resistência) e muitos multímetros digitais fornecem uma série de outras medições, incluindo capacitância, vida útil do transistor, campainha de continuidade, temperatura, etc., dependendo do instrumento de teste específico.

COMO UM MULTÍMETRO DIGITAL DMM FUNCIONA: FUNDAMENTOS

Ao observar como um multímetro digital funciona, é necessário entender as principais tecnologias geralmente usadas.

Para o DMM, um dos principais processos envolvidos nisso é o da conversão do analógico para o digital.

Existem muitas formas de conversor analógico para digital, ADC. Porém o mais utilizado em multímetros digitais, os DMMs é conhecido como registrador de aproximação sucessiva ou SAR.

Alguns ADCs SAR podem ter apenas níveis de resolução de 12 bits, mas aqueles usados em equipamentos de teste, incluindo DMMs, geralmente têm 16 bits ou possivelmente mais dependendo da aplicação.

Normalmente para DMMs são usados níveis de resolução de 16 bits, com velocidades de 100k amostras por segundo. Esses níveis de velocidade são mais do que adequados para a maioria das aplicações de DMM, onde normalmente não são necessários altos níveis de velocidade. 

Normalmente, para a maioria dos instrumentos de teste de bancada ou geral, as medições só precisam ser feitas a uma taxa máxima de alguns segundos, possivelmente dez por segundo.

Como o nome indica, o registro de aproximação sucessiva ADC opera retornando sucessivamente o valor da tensão de entrada.

O primeiro estágio do processo é para o circuito de amostragem e retenção para amostrar a tensão na entrada do DMM e, em seguida, mantê-la estável.

Com uma tensão de entrada constante, o registro começa na metade do seu valor de escala total. Isso normalmente exigiria o bit mais significativo, MSB definido como “1” e todos os restantes definidos como “0”. Supondo que a tensão de entrada possa estar em qualquer lugar na faixa, a faixa intermediária significa que o ADC está definido no meio da faixa e isso fornece um tempo de estabilização mais rápido. Como ele só precisa mover o máximo da escala total, em vez de possivelmente 100%.

Para ver como funciona, veja o exemplo simples de um SAR de 4 bits. Sua saída começará em 1000. Se a tensão for menor que a metade da capacidade máxima, a saída do comparador será baixa e isso forçará o registro a um nível de 0100. Se a tensão estiver acima disso, o registro passará para 0110, e assim sucessivamente até chegar ao valor mais próximo.

Pode-se ver que os conversores SAR precisam de um ciclo de aproximação para cada bit de saída, ou seja, um ADC de n bits exigirá n ciclos.

OPERAÇÃO DO MULTÍMETRO DIGITAL

Embora o conversor analógico para digital seja o elemento-chave dentro do instrumento de teste, para entender completamente como um multímetro digital funciona, é necessário observar algumas das outras funções em torno do conversor analógico para digital, ADC.

Embora o ADC colete muitas amostras, o multímetro digital geral não exibirá ou retornará todas as amostras coletadas. Em vez disso, as amostras são armazenadas em buffer e ‘médias’ para obter alta precisão e resolução.

O buffer e a ‘média’ superarão os efeitos de pequenas variações, como ruído, etc., sendo o ruído criado pelos primeiros estágios analógicos do DMM um fator importante que precisa ser superado para obter a mais alta precisão.

A medida básica que é feita é a de tensão – o conversor analógico para digital converte uma tensão analógica em um formato digital para que possa ser processada pelo circuito de processamento.

Para medir grandes tensões, redes divisoras de potencial podem ser feitas na entrada do ADC. Isso pode pré-condicionar a tensão de entrada para cair dentro da faixa do ADC.

Da mesma forma, medições de corrente podem ser feitas monitorando a tensão através de um resistor conhecido.

Desta forma, o DMM usa técnicas de medição muito semelhantes às do medidor analógico, onde foram usados resistores em série e shunts paralelos.

Medir a resistência requer uma abordagem ligeiramente diferente, geralmente medindo a tensão através do resistor por meio de uma resistência conhecida de uma tensão estabilizada no medidor.

Um dos outros elementos do multímetro digital é o display. Em vez de usar um medidor de painel analógico, os multímetros digitais usam um display numérico. Normalmente, este é um visor de cristal líquido, portanto, tenha cuidado ao usá-lo no exterior se estiver frio, pois os visores de cristal líquido não funcionam abaixo de 0°C.

Normalmente os displays são relativamente grandes e é possível ver todos os dígitos com bastante facilidade. No escuro, os dígitos podem ser mais difíceis de ver, mas alguns DMMs têm luz de fundo para fornecer luz adicional para essas circunstâncias.

COMO FUNCIONA UM MULTÍMETRO DIGITAL: TEMPO DE MEDIÇÃO

Uma das principais áreas de compreensão de como funciona um multímetro digital está relacionada ao tempo de medição. Além da medição básica, existem várias outras funções que são necessárias e todas elas levam um pouco de tempo. Assim, o tempo de medição de um multímetro digital, DMM, pode nem sempre parecer simples.

É sempre melhor dar tempo ao DMM para assentar, embora na maioria dos casos a velocidade com que as medições são feitas seja muito rápida e não incomode o usuário manual. Quando são usados DMMs que possuem controle por computador, pode ser necessário adicionar um pouco de tempo adicional ao programa para isso. Esses DMMs automatizados tendem a ser aqueles em caixas de estilo de bancada, em vez dos manuais de estilo manual.

O tempo total de medição para um DMM é composto de várias fases onde ocorrem diferentes atividades:

• Tempo de comutação: O tempo de comutação é o tempo necessário para que o instrumento se estabilize após a comutação da entrada. Isso inclui o tempo de estabilização após a alteração de um tipo de medição, por exemplo, da tensão à resistência, etc. Também inclui o tempo de estabilização após a alteração da faixa. Se a faixa automática estiver incluída, o medidor precisará ajustar se uma mudança de faixa for necessária
• Tempo de estabilização: Uma vez que o valor a ser medido tenha sido aplicado à entrada, será necessário um certo tempo para que ela se estabilize. Isso superará quaisquer níveis de capacitância de entrada quando forem feitos testes de alta impedância, ou geralmente para o circuito e o instrumento se estabelecerem.

Frequentemente, o medidor será visto em casa na leitura final. Isso não é incomum, e o tempo deve ser dado para que o medidor estabilize e a leitura constante seja feita.

• Tempo de medição do sinal: Este é o tempo básico necessário para fazer a medição em si. Para medições CA, a frequência de operação deve ser levada em consideração, pois o tempo mínimo de medição do sinal é baseado na frequência mínima exigida da medição. Por exemplo, para uma frequência mínima de 50 Hz, é necessária uma abertura de quatro vezes o período, ou seja, 80 ms para um sinal de 50 Hz, ou 67 ms para um sinal de 60 Hz, etc.
  
• Tempo de zero automático: Alguns medidores digitais, normalmente os DMMs de ponta, têm um recurso conhecido como escala automática. Quando utilizado neste modo, só é necessário selecionar o tipo de medição a ser feita: amperes CC, amperes CA; Voltagem de corrente contínua; Tensão CA etc. Além disso, o medidor definirá a faixa de acordo com a tensão de entrada.
  
  Quando a faixa automática é selecionada ou são feitas alterações de faixa, é necessário zerar o medidor para garantir a precisão. Uma vez que o intervalo correto é selecionado, o zero automático é o desempenho para esse intervalo. Embora normalmente bastante curto, pode ser notado em algumas ocasiões.
  
• Tempo de calibração ADC: Em alguns DMMs, uma calibração é realizada periodicamente. Isso deve ser levado em conta, especialmente quando as medições são feitas sob controle automático ou computadorizado.

O conceito de como o multímetro digital funciona é relativamente simples, mas pode-se entender que medir formas de onda variáveis ou tensões intermitentes pode fornecer resultados incomuns. Também é importante selecionar a configuração correta para o tempo em que a medição pode ser feita. Entender como o multímetro digital funciona permite que decisões mais informadas como essas e outras sejam tomadas ao usar um DMM.

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