多功能數位電錶基本原理

綜覽

DMM (即多功能數位電錶) 是一種電子測試與量測儀器,能量測 DC 與 AC 訊號的電壓、電流以及電阻。了解多功能數位電錶 (DMM) 的使用方式與基本概念。

內容

DMM 顯示位元

多功能數位電錶 (DMM) 適用於多種量測作業。選擇或解讀所用的 DMM 時,首要任務就是了解儀器的顯示位元。

DMM 必須擁有足夠的顯示位元,才能精確對應您的應用需求。DMM 的顯示位元數跟解析度無關,但有助於判定可供顯示與解讀的有效位元數。DMM 可顯示特定的位元數,例如 3 ½ 位元或 3 ¾ 位元。完整的位元代表擁有 10 種狀態 (0 至 9) 的數字。分數位元是位元可達到可能狀態數的最大值比率。舉例來說,½ 位元的最大值為 1,其狀態有 2 種 (0 或 1)。¾ 位元的最大值為 3,其狀態有 4 種 (0、1、2 或 3)。

方程式 1.DMM 通常會有分數位元,表示只能顯示一定數量的狀態

分數位元代表會顯示第一位數以及後面完整的位數。例如在 2 V 範圍中,3 ½ 位元 DMM 的最大顯示值為 1.999 V。

½ 位數的最大電壓通常是 200 mV、2 V、20 V 及 200 V,而 ¾ 位數的最大電壓則是 400 mV、4 V、40 V 及 400 V。

 

使用 DMM 進行電壓量測

幾乎每個 DMM 都有 DC 與 AC 量測功能。電壓測試功能常用於測試與驗證儀器、元件或電路的輸出。電壓的量測方式固定透過 2 個端點,因此需要 2 探針才能進行。部分 DMM 接頭與探針會標示顏色;紅色代表正極 (您實際要量測的點),黑色代表負極 (一般用途為參考或接地)。不過電壓具有雙向性,所以如果將正負極互換的話,量測到的電壓就會反轉。

電壓的量測模式通常有 2 種:AC 與 DC。一般 DC 會以 V 加上一條虛線與一條實線表示,而 AC 則是以 V 加上一個波浪符號表示。請務必選擇符合您應用需求的範圍與模式。

圖 1.AC 電壓 (左) 與 DC 電壓 (右) 量測方式常用於測試與驗證儀器、元件或電路的輸出。

在量測 AC 或 DC 電壓時,您必須熟悉這幾種術語和概念。

 

輸入電阻

理想的電壓計擁有無窮大輸入電阻,如此儀器就不會從測試電路引走任何電流。不過在實際上,多少會有一些電阻影響到量測的準確度。為將這種影響降至最低,DMM 的電壓量測子系統在阻抗設計上往往為 1s 至 10s 的 MΩ。如果您量測的是低電壓,則即使是這個電阻也足以讓量測結果產生難以接受的誤差。因此,較低的電壓範圍通常會選用較高的阻抗,例如 10 GΩ。

某些 DMM 可供您選擇輸入電阻。就大多數的應用而言,可說是阻抗越高,量測結果越準確。不過也有一些特例,這時候可能就需要選擇較低的阻抗。舉例來說,內有多種接線的線管可能對所有接線都有偶合。即使這些接線是浮接,DMM 仍會讀取到電壓。較高的阻抗無法排除這些假性電壓,但低阻抗卻提供這種積聚的電荷通路,並讓 DMM 能正確量測到 0 V。這種較低電壓範圍的其中一例,就是電路上緊靠在一起的走線。

 

波峰因數

在量測 AC 訊號 (電壓或電流) 時,對於特定波形的判定準確度,波峰因數可能是相當重要的參數。波峰因數是峰值對 RMS 值的比率,是一種描述波形的方式。波峰因數通常用於描述電壓,但也可以用於其他量測結果 (例如電流)。波峰因數在嚴格定義上應為正實數,但多數時候會認定其為一種比例。

方程式 2.波峰因數可量測波形的極端峰值

 

沒有波峰的固定波形之波峰因數為 1,因為該波形的峰值與 RMS 值相同。如果是三角波形,則波峰因數為 1.732。波峰因數越高,代表波峰越陡,也越難獲得準確的 AC 量測結果。

圖 2.AC 訊號的波峰因數會影響準確度

 

使用實際 RMS 進行量測的 AC 多功能數位電錶,會根據正弦波指明準確度。這個值藉由波峰因數表示正弦波的失真度,並且仍可在標定準確度範圍內量測到。當中也包含對其他波形任何附加的準確度誤差,視其波峰因數而定。

舉例來說,某個 DMM 的 AC 準確度為 0.03% 讀數。而您在量測的是三角波形,所以您需要查詢任何波峰因數為 1.732 的附加誤差。DMM 會指明介於 1 與 2 之間的波峰因數,當中的附加誤差為 0.05% 讀數。然後您的量測結果就會是準確度 0.03% + 0.05%,總計為 0.08% 的讀數。如您所見,波形的波峰因數可能會對量測結果的準確度有極大影響。

 

零點偏移

大多數 DMM 均具備零點偏移的功能。這種功能在進行 DC 電壓或電阻量測時,可用來排除因連接方式和接線所引起的錯誤。首先,您要選擇正確的量測類型與範圍。接著連接探針,然後等待讀取量測結果。然後再選擇零點偏移按鈕。後續的讀數會減去零點量測值,提供更為準確的讀數。

 

自動歸零

除了進行零點偏移之外,另一種提升電壓與電阻量測準確度的方式,就是啟用稱為「自動歸零」的功能。自動歸零功能可用於補償內部儀器偏移。該功能啟用後,DMM 就會對您的每個量測結果進行額外量測。這種額外量測的是在 DMM 輸入與接地之間進行。之後會從量測結果減去這個值,再減去量測路徑或 ADC 中的任何偏移。自動歸零功能非常適合用於提升量測的準確度,但同時也會增加進行量測所需的時間。

 

使用 DMM 進行電流量測

另一種常見的量測功能,就是 DC 與 AC 電流量測。電壓的量測是透過與電路並聯進行,但電流的量測則是透過與電路串聯進行。也就是說,您必須先斷開電路 (實際中斷電流),才能將 DMM 插到電路迴圈中,以進行準確的量測。電流跟電壓一樣都具有雙向性。其標記符號也相似,不過符號由 V 改成 A。A 代表安培,也就是電流量測的單位。請務必選擇符合您應用需求的範圍與模式。

 

圖 3. DC 電流 (左) 與 AC 電流 (右) 量測方式適用於電路與元件的除錯作業。

 

DMM 在輸入端點有小型電阻,該電阻會量測電壓,然後使用歐姆定律計算電流。電流等於電壓除以電阻。為保護您的多功能數位電錶,請避免在電流流經電路時從電流量測功能切換開。此外,在電流量測模式時,也務必注意不要突然進行電壓量測,否則可能會導致保險絲燒斷。如果不慎燒斷保險絲,通常更換保險絲即可。詳細資訊請參閱您的儀器說明手冊。

使用 DMM 進行電阻量測

電阻量測方式常用於量測電阻器,或是感測器或喇叭等其他元件。電阻量測的方式為透過與小型內部電阻串聯,利用已知的 DC 電壓量測未知的電阻。如此會量測到測試電壓,然後計算出未知的電阻。因此,只有在裝置電源關閉時才進行測試,否則裝置電路中已有電壓,將會導致讀數不正確。另外也請記住,只有在元件尚未插入電路時才能量測,否則您量測到的是所有與該元件連接之裝置的電阻,而非元件本身。

不過幸好電阻不具雙向性,所以即使您將探針互換,獲得的讀數仍舊不變。表示電阻量測結果的符號是 Ω,也就是電阻的量測單位。請務必選擇符合您應用需求的範圍與模式。如果顯示讀數為 OL,表示讀數超過上限,或是大於計量表在該範圍中可量測的值。如同前文所述,利用零點偏移功能可提升量測讀數的準確度。

 

圖 4.電阻量測方式常用於量測電阻器或是其他元件。

其他的 DMM 量方式

多數 DMM 均額外提供 2 種量測功能:二極體測試與導通性測試。

 

 

導通測試

導通性測試有助於辨識 2 個點是否有電子連接關係。這種方式非常適用於斷線、印刷電路板 (PCB) 走線或焊點的除錯作業。在測試導通性時,請務必確實監控探針所接觸的位置。因為大多數 DMM 會在偵測到閉路時發出聲音,如此您就不需要特別注意探針。也因此,導通性的表示符號看起來像聲波。

 

圖 5.導通性測試有助於辨識 2 個點是否有電子連接關係。

 

導通性測試的運作原理如同電阻量測,因此在進行這類測試時,務必先確認連接裝置電源已關閉。此外,這種測試方式也有助於透過電刷連接測試尖端,確認是否會發出警示聲。如果沒聽到警示聲,則檢查探針是否有接好、DMM 是否有充足電力,以及您是否已使用正確的模式。另外您也必須查看使用者手冊,以判斷需要多少電阻才能觸發警示聲,因為每種機型需要的電阻不同。

如果您所測試的電路有大型電容器,很可能只會聽到快速響一下的警示聲。這是因為 DMM 施加到電路的電壓為該電容器充電,而 DMM 會在這時誤判為閉路。

 

 

二極體測試

二極體測試會以伏特為單位,顯示二極體的正向電壓降。其所用的符號自然是二極體符號。

 

圖 6.二極體測試會以伏特為單位,顯示二極體的正向電壓降

DMM 會強制讓小型電流流過二極體,並量測 2 個測試引線之間的電壓降。量測二極體時,您需要將正極探針接在陽極,負極探針則接在陰極。矽的電壓讀數一般會在 0.7 V 左右,但實際範圍會介於 0.5 至 0.9 V 之間,在這範圍內的二極體仍舊生效;鍺二極體則一般會在 0.3 V 左右。

 

圖 7.通常在測試二極體時,都會正極探針接陽極、負極探針接陰極。不過即使兩極互換,仍舊可以發光。

接著再改將負極探針接陽極、陽極探針接陰極。如果二極體功能正常,多功能數位電錶應該會顯示 OL,表示為開路。

如果二極體有瑕疵,則可能會變成短路或開路二極體。如果二極體無法開路,DMM 會同時在正向和逆向偏壓顯示 OL,因為流過的電流為 0,等同於開路。如果二極體短路,DMM 會顯示 0 V,表示整個二極體沒有電壓降。

雜訊抑制參數

在進行量測時,無論何時都必須考慮到雜訊。您必須額外熟悉 2 種參數,才能更加認識您的儀器,以及與量測相關的雜訊。

常模斥拒比 (NMRR) 說明 DMM 能抑制出現在兩個輸入端點之間的雜訊 (也就是與量測訊號相混的雜訊)。這種雜訊大多是電源線頻率及其諧波。NMRR 通常用來表示儀器抑制電源線雜訊 (50 或 60 Hz) 的功能,只在特定頻率生效,適用於 DC 量測。常模雜訊也能透過抗雜訊或濾波的方式抑制。

共模拒斥比 (CMRR) 說明 DMM 能抑制 2 個輸入端點共同的雜訊,例如來自環境的雜訊。共模雜訊通常比常模雜訊要來得少。

NMRR 與 CMRR 一般會指定為 50 Hz 與 60 Hz,CMRR 一般也會指定為 DC 數值。常見數值分別會大於 80 dB 與 120 dB。

DMM 量尖端

  • DMM 的顯示位元數跟解析度無關,但有助於判定可供顯示與解讀的有效位元數。 
  • 就大多數的應用而言,可說是阻抗越高,電壓量測結果越準確。
  • 波峰因數越高,代表波峰越陡,也越難獲得準確的 AC 量測結果。
  • 零點偏移在進行 DC 電壓或電阻量測時,可用來排除因連接方式和接線所引起的錯誤。
  • 自動歸零功能可用於補償內部儀器偏移。
  • 在進行電流量測時,您必須先斷開電路,才能將 DMM 插到電路迴圈中。 
  • 如果在電流模式下突然量測電壓,便可能導致保險絲燒斷。
  • 電阻量測導通性測試必須在電路未接上電源時進行。
  • 常模拒斥比 (NMRR) 說明 DMM 能抑制出現在 2 個輸入端點之間的雜訊。
  • 共模拒斥比 (CMRR) 說明 DMM 能抑制 2 個輸入端點共同的雜訊,例如來自環境的雜訊。