Il multimetro digitale (DMM – Digital Multimeter) è uno strumento estremamente versatile perché può misurare vari tipi di segnali: tensione, corrente, resistenza a due fili e resistenza a quattro fili, capacità, temperatura, diodo, controllo di continuità, frequenza di un segnale oscillante
I moderni multimetri digitali sono estremamente versatili e possono eseguire diversi tipi di misurazioni e fornire visualizzazioni di output grafici, come tendenze e grafici statistici. I DMM sono programmabili e possono eseguire funzionalità di data logger, comunicando con computer esterni per il lavoro di post-analisi.
Lo strumento effettua più tipi di misurazioni, come corrente e tensione – in alternata (AC) o in continua (DC) – resistenza, temperatura, capacità, frequenza etc. La maggior parte dei multimetri digitali palmari o da banco hanno un display di misurazione con cifre, a cui si aggiunge una grafica più o meno complessa. Il numero di cifre sul display corrisponde solitamente al livello di risoluzione che il multimetro digitale può misurare. La risoluzione è il livello di dettaglio quantificabile. Pertanto, maggiore è il numero di digit del display e maggiore è la risoluzione. Ad esempio, i multimetri digitali palmari hanno 3½ e 4½ digit, mentre i più sofisticati strumenti da banco arrivano ad avere 5½ digit, 6½ digit e fino a 8½ digit. Le cifre del display si riferiscono al livello di risoluzione che il multimetro digitale può erogare.
I multimetri digitali palmari vengono normalmente utilizzati per semplici operazioni di misura in produzione, come la riparazione, che non richiedono un'elevata risoluzione di misura.
La maggior parte dei DMM da banco ha 5 ½ digit e 6 ½ digit che sono più che sufficienti per la maggior parte delle applicazioni. I DMM da banco a 7 ½ e 8 ½ digit sono classificati come strumenti ad alte prestazioni, sono utilizzati per applicazioni di alta precisione e come standard di riferimento per i laboratori di metrologia.
Il numero di cifre è quasi sempre la prima specifica che si nota per un DMM; pertanto, è importante capirne il significato e cosa rappresenta.
La mezza cifra può essere solo 0 o 1. Quindi un DMM a 3 cifre e mezzo offre più o meno 1999 conteggi. Un DMM a 4 cifre e mezzo offre più o meno 19999 conteggi e così via. Il numero di cifre si traduce direttamente nel numero di conteggi. Ad esempio, uno strumento a 4 digit e mezzo, è dotato di un visualizzatore con cinque cifre, in grado di rappresentare dei valori da -19999 a +19999.
Precisione e risoluzione sono altre specifiche chiave da considerare quando si sceglie il multimetro digitale adeguato alle proprie esigenze. La precisione consente all'operatore di sapere che misurazioni ripetute della stessa grandezza saranno in accordo tra loro. La risoluzione è il livello minimo di dettaglio misurabile, in altre parole è l’incremento più piccolo che uno strumento è capace di rilevare e visualizzare. L'accuratezza si riferisce a quanto è vicina la misura rilevata dallo strumento al valore effettivo della grandezza da misurare.
La velocità di misurazione è un fattore importante nel caso si vogliano ottimizzare i tempi di test, ma influisce sulla risoluzione del multimetro digitale. La velocità è data dalla rapidità con cui lavora il convertitore analogico-digitale (ADC), ma la risoluzione diminuisce all'aumentare della velocità di misurazione.
Corrispondenza tra digit e numero di conteggi
Il diagramma a blocchi nella figura 1 mostra un tipico multimetro digitale, in cui il segnale di ingresso tensione o corrente (AC - DC), resistenza, temperatura o qualsiasi altro parametro elettrico, viene convertito in tensione DC all'interno del convertitore analogico/digitale. L'ADC converte quindi la tensione DC prescalata nei numeri digitali equivalenti che verranno visualizzati sul display.
Il blocco del controller digitale contiene un microcontrollore o un microprocessore, il cui compito è di gestire il flusso di informazioni all'interno dello strumento. Il blocco coordinerà tutte le funzioni interne ed eventualmente trasferirà le informazioni a dispositivi esterni come stampanti, computer portatili o altri strumenti di test. Nel caso di alcuni multimetri palmari, alcuni di questi blocchi possono essere costituiti da un circuito VLSI in cui l'ADC e il driver del display confluiscono nello stesso circuito integrato.
Sebbene l'ADC costituisca l'elemento chiave all'interno dello strumento, per comprendere appieno come funziona un DMM, è necessario esaminare alcune delle altre funzioni a contorno all'ADC.
Sebbene l'ADC prelevi un elevato numero di campioni, il multimetro digitale non li visualizzerà tutti. Al contrario, l'ADC utilizza una strategia di buffering, mediando i valori dei campioni per ottenere un'elevata precisione e risoluzione. Questa strategia aiuta a superare gli effetti di lievi variazioni dovuti ai disturbi, come il rumore della linea elettrica e altri rumori di fondo.
Le prestazioni del multimetro digitale dipendono da quanto bene si affronta il rumore e lo si elimina dalla misurazione reale, una procedura essenziale per ottenere il massimo livello di precisione.
Misura di resistenza a due e quattro fili
I multimetri digitali offrono funzionalità di misurazione della resistenza sia a due che a quattro fili. Tuttavia, queste due tecniche di misurazione della resistenza non sono ugualmente adatte a tutte le applicazioni. Nella figura 3 viene visualizzata una configurazione di misurazione della resistenza a due fili.
I multimetri digitali misurano la resistenza forzando una corrente costante (Itest) sulla resistenza in prova R e misurano la tensione (Vm) sviluppata ai suoi capi. Quando viene applicata la corrente, la tensione generata sul componente viene misurata e quindi utilizzata per calcolare R utilizzando la legge di Ohm: R = V/I.
È quindi possibile calcolare la resistenza utilizzando la corrente nota e la tensione misurata. Un vantaggio di questo metodo è il semplice cablaggio che utilizza solo due fili, ma qualsiasi resistenza nei puntali genera un errore di lettura.
La misurazione del resistore R soffrirà di un’imprecisione se non si rimuovono gli errori dovuti alla resistenza del cablaggio.
La figura 4 mostra la misura a quattro fili. Dallo strumento di test escono una coppia di fili della sorgente di corrente e in parallelo una coppia di fili sono di rilevamento della tensione.
Similmente al metodo di misurazione a due fili, i puntali collegati alla sorgente di corrente generano una caduta di tensione su R lungo i fili HI e LO. La seconda coppia di conduttori (separati dalla sorgente di corrente) porta a formare un anello che misura la caduta di tensione su R. La seconda coppia di conduttori di rilevamento della tensione è HIsense e LOsense. Poiché la resistenza del multimetro digitale è molto alta, dell'ordine di 10 Mohm, la resistenza del cavo ha scarso effetto sulla misurazione. Poiché il Rlead è trascurabile e indipendente dalla fonte di corrente Itest, si ha:
dove Vr è la caduta di tensione sul resistore R (data da R×Itest) e Vm è la tensione misurata da cui si ricava:
La praticità delle misure col DMM
La misurazione della tensione è una delle misurazioni più semplici da effettuare utilizzando un multimetro digitale. Si posizionano le sonde sui due punti di cui si desidera misurare la tensione, poiché tutti i DMM hanno la funzione di polarità automatica, solitamente non è necessario preoccuparsi di come si collegano le sonde. Tuttavia è consigliabile collegare il comune (in genere la polarità negativa) allo chassis o sul test point a zero volt.
Se le misurazioni della tensione sono facili da effettuare con un multimetro digitale, misurare la corrente è leggermente più impegnativo. Per poter misurare la corrente il DMM va posizionato in serie con il circuito, così che che la corrente scorra attraverso lo strumento. I multimetri digitali hanno un resistore di shunt di corrente integrato, ma se la corrente è troppo alta, è necessaria una configurazione diversa. La soluzione consiste nel posizionare il multimetro digitale in parallelo con un resistore shunt di corrente esterno (dal valore accurato) in grado di gestire la potenza nominale richiesta. È possibile misurare una tensione attraverso il resistore di shunt esterno e quindi utilizzare la legge di Ohm per calcolare la corrente.
Il DMM aiuta a rilevare anche il cortocircuito elettrico mediante il controllo di continuità, una misura di resistenza fatta attraverso i due puntali delle sonde di ingresso.
I multimetri digitali effettuano misurazioni della capacità applicando una corrente nota per caricare il condensatore e utilizzando un resistore per scaricarlo. La capacità viene misurata, mediante un algoritmo di calcolo, rilevando la variazione di tensione (DC) in diversi punti di una curva di risposta nel tempo durante il ciclo di carica/scarica, estrapolando poi il valore capacitivo.
Un tipico multimetro digitale da banco effettua ovviamente anche misure della polarizzazione diretta dei diodi. Il DMM genera una corrente attorno al mA e misura la caduta di tensione che avviene attraverso il diodo. Questa funzione di test consente di controllare le giunzioni e quindi diodi, transistor, tiristori (SCR - Silicon Controlled Rectifier) e altri dispositivi a semiconduttore. Dato che in un diodo la corrente fluisce in una sola direzione, questo test invia una corrente attraverso una giunzione a semiconduttore e quindi misura la caduta di tensione ai suoi capi. Una tipica caduta di tensione è compresa tra 0,3 V e 0,8 V.
