Digitale Messgeräte

Digitale Messgeräte haben die Zeigerinstrumente fast vollständig verdrängt. Sie zeigen den Messwert als Zahl an, sind hochohmig, robust und – richtig eingesetzt – erstaunlich genau. Im Inneren steckt dabei immer derselbe Kern: Ein Analog-Digital-Wandler (ADU, englisch ADC) vergleicht die Messspannung mit einer internen Referenzspannung und liefert das Ergebnis als Zahl. Alles andere – Strom, Widerstand, Wechselspannung – wird vorher in eine passende Gleichspannung umgeformt.

Aufbau eines Digitalmultimeters

• Eingangsteiler und Umformer: Ein präziser Spannungsteiler mit typisch 10 MΩ Gesamtwiderstand setzt hohe Spannungen auf den Wandlerbereich von etwa 200 mV oder 2 V herab. Für Ströme fließt der Messstrom durch einen Shunt, an dem eine kleine Spannung abfällt. Für Widerstände speist eine Konstantstromquelle einen bekannten Strom ein, und die Spannung am Prüfling wird gemessen (Ohmsches Gesetz).
• Wechselspannungsumformer: Er bildet entweder den Gleichrichtwert oder – bei True-RMS-Geräten – den echten Effektivwert.
• A/D-Wandler mit Referenz: Er setzt die Gleichspannung in eine Zahl um. Die Genauigkeit des ganzen Geräts hängt maßgeblich an der Stabilität der Referenzspannung.
• Steuerung und Anzeige: Ein Mikrocontroller oder Zähler wählt den Bereich, setzt das Komma, steuert Display und Bargraph. Die Polarität erkennt das Gerät selbst: Liegt die Spannung andersherum an, steht einfach ein Minuszeichen vor dem Wert. Ob das Vorzeichen zu deiner Schaltung passt, musst du trotzdem selbst beurteilen – rot ist immer der Plus-Bezug gegenüber COM.

Das Dual-Slope-Verfahren

Die meisten Handmultimeter verwenden einen integrierenden Wandler nach dem Dual-Slope-Prinzip (Zweiflanken-Verfahren). Er arbeitet in zwei Phasen:

1. Aufintegrieren: Ein Integrator (Kondensator, der mit einem zur Messspannung proportionalen Strom geladen wird) läuft für eine fest vorgegebene Zeit t₁. Je größer die Messspannung U_x, desto höher steigt die Spannung am Integrator.
2. Abintegrieren: Nun wird die Referenzspannung U_ref mit umgekehrtem Vorzeichen angelegt. Der Integrator läuft mit immer gleicher Steigung zurück auf null. Ein Zähler misst die Zeit t₂, die das dauert.

Weil Auf- und Abintegrieren über denselben Kondensator und Widerstand laufen, kürzen sich deren Toleranzen heraus:

Wählt man t₁ als ganzes Vielfaches von 20 ms, mittelt der Integrator eingestreute 50-Hz-Störungen vollständig weg. Der Preis ist die Geschwindigkeit: Mehr als zwei bis fünf Messungen pro Sekunde schaffen solche Wandler kaum. Schnellere Geräte und Oszilloskope verwenden andere Wandler, etwa nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation oder Sigma-Delta-Wandler.

Counts, Stellen und Auflösung

Die Anzeige eines Digitalmultimeters wird in Counts (Zählschritten) angegeben. Ein 2000-Count-Gerät zeigt maximal „1999“, ein 6000-Count-Gerät „5999“. Ältere Angaben sprechen von Stellen: „3½ Stellen“ heißt drei volle Ziffern 0–9 und eine führende halbe Stelle, die nur 0 oder 1 sein kann – also 1999.

Die Auflösung ist der kleinste Schritt, den das Gerät in einem Bereich anzeigen kann:

Die Genauigkeitsangabe lesen

Digitale Geräte geben ihre Abweichung als Summe zweier Anteile an:

Der erste Anteil wächst mit dem Messwert, der zweite ist ein fester Betrag in Einheiten der letzten Stelle.

Anders als bei Zeigerinstrumenten (Elektrische Messgeräte) bezieht sich der Prozentanteil also auf den Messwert, nicht auf den Bereichsendwert. Wie du aus mehreren solchen Angaben die Unsicherheit eines Ergebnisses abschätzt, steht unter Messfehler und Messunsicherheit.

Wo die Ziffernanzeige an Grenzen stößt

Viele Nachkommastellen wirken genau, sagen aber nur etwas, wenn auch die Genauigkeitsangabe dazu passt. Die Elektronik im Gerät ist zudem temperaturabhängig; die Datenblattwerte gelten nur in einem bestimmten Temperaturbereich, etwa 18 bis 28 °C, außerhalb kommt ein Temperaturkoeffizient hinzu.

Schwankende Größen sind die zweite Schwäche: Weil die Anzeige nur wenige Male pro Sekunde aktualisiert wird, siehst du bei einer unruhigen Spannung nur springende Ziffern, und kurze Störspitzen fallen zwischen zwei Messungen ganz durch. Zappelt die Anzeige, ist das ein Hinweis, mit dem Oszilloskop nachzusehen.

Weitere digitale Messgeräte

Das Prinzip „umformen, wandeln, anzeigen“ steckt in vielen Geräten: Tischmultimeter mit 5½ oder 6½ Stellen für Laborgenauigkeit, digitale Leistungsmesser, die Spannung und Strom abtasten und multiplizieren (Leistung messen), Frequenzzähler, LCR-Messgeräte für Kapazität und Induktivität und natürlich das digitale Oszilloskop, das statt eines einzelnen Werts Millionen Abtastwerte pro Sekunde aufzeichnet.

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