# مولتی متر (نحوه عملکرد و کاربرد ها)
---
## اطلاعات نویسنده
###### مدارهای تنظیم و تبدیل سیگنال (Signal Conditioning and Conversion) - ا dc Attenuator (تضعیفکننده DC): برای اندازهگیری ولتاژ DC در محدودههای مختلف استفاده میشود. این مدار، ولتاژ DC ورودی را (که ممکن است زیاد باشد) به سطح مناسبی برای اعمال به مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) کاهش میدهد (تضعیف میکند). - ا ac Attenuator (تضعیفکننده AC): مشابه تضعیفکننده DC، برای اندازهگیری ولتاژ AC در محدودههای مختلف، سیگنال ورودی را تضعیف میکند. - ا ac Converter (مبدل AC): این بلوک، سیگنال ولتاژ متناوب (AC) تضعیفشده را به یک ولتاژ مستقیم (DC) متناسب با مقدار RMS (ریشه میانگین مربع) یا میانگین سیگنال AC تبدیل میکند. این ولتاژ DC سپس به A/D اعمال میشود. - ا Ohms Converter (مبدل اهم): این مدار برای اندازهگیری مقاومت (Ohms) استفاده میشود. دستگاه ولتاژ ثابتی را از طریق یک مقاومت سری شناخته شده به مقاومت مجهول اعمال میکند و جریان یا ولتاژ ایجاد شده را به یک ولتاژ DC متناسب با مقدار مقاومت مجهول تبدیل میکند.
###### مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) و مرجع - سوئیچهای مد ورودی A/D: دو سوئیچ پس از بلوکهای تضعیف/تبدیل قرار دارند که یکی از ولتاژهای DC (از dc Attenuator)، یا ولتاژ DC تبدیلشده از AC (از ac Converter)، یا ولتاژ DC متناسب با مقاومت (از Ohms Converter) را انتخاب کرده و به ورودی مبدل A/D اعمال میکنند. - ا A/D (Analog-to-Digital Converter): مهمترین بلوک دستگاه است. این مبدل ولتاژ آنالوگ (DC) آماده شده در ورودی را به یک مقدار دیجیتال متناسب (یک عدد دودویی) تبدیل میکند. دقت مولتیمتر عمدتاً به دقت و وضوح این مبدل بستگی دارد. - ا Precision Reference (مرجع دقیق): یک منبع ولتاژ بسیار پایدار و دقیق که به مبدل A/D متصل است. مبدل A/D از این ولتاژ مرجع برای مقایسه با ولتاژ ورودی آنالوگ و تولید خروجی دیجیتال دقیق استفاده میکند.
###### بخش خروجی و نمایشگر (Output and Display) - ا Digital Display (نمایشگر دیجیتال): دادههای دیجیتال خروجی از A/D (یا پس از پردازش نهایی) را دریافت کرده و آن را به صورت عدد بر روی نمایشگر (مانند LCD یا LED) نمایش میدهد تا کاربر بتواند مقدار اندازهگیریشده را بخواند. - ا BCD Output (خروجی BCD): خروجی دیجیتال اندازهگیریشده را در فرمت Binary Coded Decimal (کدگذاری دهدهی باینری) ارائه میدهد. این خروجی برای اتصال به دستگاههای جانبی، پرینترها یا سیستمهای دادهبرداری استفاده میشود. - ا Interface (واسط): یک مدار واسط (مانند RS-232، USB یا GPIB) که به دستگاه اجازه میدهد تا دادههای اندازهگیری را به یک کامپیوتر یا سیستم کنترل خارجی ارسال کند. در ادامه بخش های مختلف رو به صورت جزئی تر و کامل تر بررسی میکنیم --- ## ۱. بخش ورودی و محافظت (Input & Protection Stage) بلوک **ورودی و محافظت** اولین نقطه تماس مولتیمتر دیجیتال (DMM) با مدار تحت اندازهگیری است و در حکم **سپر دفاعی** دستگاه عمل میکند. وظیفه اصلی این بلوک، دریافت سیگنالهای الکتریکی از پروبها و **حفاظت از مدارهای داخلی بسیار حساس** (مانند ADC، Op-Amps و میکروکنترلر) در برابر هرگونه ولتاژ یا جریان بیش از حد مجاز (Overload) یا گذرا (Transient) است. **دریافت سیگنال و مدارهای حفاظتی:** سیگنال ورودی بلافاصله پس از درگاههای ورودی دستگاه، وارد مدارات حفاظتی میشود. حیاتیترین عناصر حفاظتی عبارتند از: - **فیوزها (Fuses):** اصلیترین محافظت در برابر **جریانهای بیش از حد (Overcurrent)**، به ویژه هنگام اندازهگیری **جریان (آمپرمتر)** است. اگر جریان ورودی از مقدار آستانه (معمولاً ۲۰۰ میلیآمپر برای رنجهای کوچک و ۱۰ آمپر برای رنجهای بزرگ) تجاوز کند، فیوز سوخته و مدار را به صورت فیزیکی قطع میکند تا از آسیب دیدن مقاومتهای شنت و سایر مدارات داخلی جلوگیری شود. اغلب DMMهای با کیفیت از دو فیوز در مسیرهای مختلف جریان استفاده میکنند. - **وریستورها (Varistors) و دیودهای محافظ (Protection Diodes):** این قطعات برای محافظت در برابر **ولتاژهای ناگهانی و گذرا (Surge Protection)** به کار میروند. **وریستور** در برابر ولتاژهای بسیار بالا، مقاومت خود را به شدت کاهش میدهد و ولتاژ اضافی را به زمین منحرف میکند. دیودهای زنر یا دیودهای محافظ (مانند Transil) نیز ولتاژ ورودی را به محدودهای ایمن برای مدارهای داخلی محدود میکنند و از رسیدن ولتاژهای خطرناک به ADC جلوگیری مینمایند. **مدار اندازهگیری ولتاژ و مقاومت:** در حالت اندازهگیری **ولتاژ** یا **مقاومت**، مدارهای حفاظتی اولیه وظیفه خود را انجام داده و سیگنال را به بلوک بعدی (تقسیمکننده و تقویتکننده) هدایت میکنند. در این حالت، مقاومت ورودی مولتیمتر بسیار بالا ($10 M\Omega$) است تا مدار تحت اندازهگیری را بارگذاری نکند. **مدار اندازهگیری جریان:** هنگام اندازهگیری **جریان**، ورودی به صورت سری از یک **مقاومت شنت (Shunt Resistor)** با مقدار بسیار کم (مثلاً $\text{m}\Omega$ها) عبور میکند. این مقاومت شنت، جریان عبوری را به یک **افت ولتاژ متناسب** تبدیل میکند (بر اساس قانون اهم: $V = I \times R$). سپس این ولتاژ بسیار کوچک توسط فیوز و مدارات حفاظتی محدود شده و به بلوک تقویتکننده فرستاده میشود تا تقویت و اندازهگیری شود. این مقاومت شنت نیز باید در برابر جریانهای بالا مقاوم باشد. به طور خلاصه، بلوک ورودی و محافظت تضمینکننده **ایمنی کاربر** و **طول عمر دستگاه** است و اولین فیلتر برای تفکیک سیگنال اندازهگیری شده از نویزها و ولتاژ/جریانهای مخرب خارجی به شمار میرود. --- ## ۲. مدار تقسیم کننده و تقویت کننده (Attenuator & Amplifier Stage) بلوک تنظیم سیگنال (Signal Conditioning)، که شامل تقویتکنندهها و تضعیفکنندهها میشود، نقش حیاتی در آمادهسازی سیگنال ورودی برای بلوک اصلی اندازهگیری یعنی **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)** دارد. هدف این بخش این است که سیگنال ورودی، با هر دامنه و مقداری که باشد، در یک محدوده ولتاژی استاندارد و قابل قبول برای ADC قرار گیرد. **ا Attenuatorها (تضعیفکنندهها) و مدار تقسیمکننده:** برای اندازهگیری ولتاژهای بالا (مانند $100V$ یا $1000V$)، که بسیار فراتر از محدوده کاری استاندارد ADC (که معمولاً چند ولت است) قرار دارند، از مدارات **تضعیفکننده** استفاده میشود. متداولترین نوع این مدارات، **شبکه تقسیمکننده ولتاژ مقاومتی (Resistive Voltage Divider)** است. این شبکه از آرایهای از مقاومتهای سری دقیق تشکیل شده است که ولتاژ ورودی را بر اساس نسبتهای ثابت (مثلاً $1/10$ یا $1/100$) کاهش میدهند. **وظیفه و اهمیت:** تضعیفکنندهها اطمینان میدهند که ولتاژ بالا بدون آسیب زدن به مدارهای داخلی، به یک سطح ایمن و قابل اندازهگیری برای ADC کاهش یابد. **دقت** و **پایداری حرارتی** مقاومتهای به کار رفته در این تقسیمکنندهها بسیار حیاتی است، زیرا هرگونه خطایی در نسبت تقسیم، مستقیماً بر دقت اندازهگیری ولتاژ توسط کل دستگاه تأثیر میگذارد. **تقویتکنندههای عملیاتی (Operational Amplifiers - Op-Amps):** در مقابل اندازهگیری ولتاژهای بالا، در مواقعی نیاز است تا سیگنالهای بسیار ضعیف و با دامنه پایین (مانند میلیولتها) که از سنسورها یا نقاط خاص مدار دریافت میشوند، تقویت شوند. این وظیفه بر عهده **تقویتکنندههای عملیاتی (Op-Amps)** است. **وظیفه و عملکرد:** 1. **تقویت سیگنالهای ضعیف:** آپاَمپها سیگنالهای کوچک را تقویت میکنند تا به سطح قابل قبول برای ADC برسند و از دست رفتن اطلاعات به دلیل نویز یا رزولوشن پایین جلوگیری شود. 2. **بافر (Buffer) و حفظ امپدانس ورودی:** آپاَمپها همچنین به عنوان **بافر ولتاژ** مورد استفاده قرار میگیرند تا **امپدانس ورودی بسیار بالای** مولتیمتر (معمولاً $10 M\Omega$) را حفظ کنند. امپدانس ورودی بالا تضمین میکند که مولتیمتر هنگام اتصال به مدار، کمترین "بار" (Load) را ایجاد کرده و تأثیر ناچیزی بر عملکرد مدار تحت اندازهگیری بگذارد. 3. **تبدیل جریان به ولتاژ:** در حالت اندازهگیری **جریان**، ابتدا جریان از یک مقاومت شنت عبور کرده و به یک ولتاژ بسیار کوچک تبدیل میشود. سپس از آپاَمپها برای تقویت دقیق این ولتاژ کوچک استفاده میشود تا اندازهگیری جریان با دقت بالا انجام شود. در مجموع، بلوک تنظیم سیگنال با استفاده هوشمندانه از تقسیمکنندهها و تقویتکنندهها، یک **بازه دینامیکی وسیع** از سیگنالهای ورودی را به یک **بازه استاندارد و محدود** تبدیل میکند و این آمادگی حیاتی را برای بلوک ADC فراهم میسازد. --- ## ۳. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC – Analog to Digital Converter) این قسمت «قلب» مولتیمتر دیجیتال است. وظیفهی آن، تبدیل سیگنال پیوستهی آنالوگ به دادهی دیجیتال قابلپردازش است. عملکرد و فرآیند: ADC با نرخ نمونهبرداری مشخص (Sampling Rate) از سیگنال ورودی نمونه میگیرد، سپس مقدار ولتاژ هر نمونه را کوانتیزه و به عدد باینری متناظر تبدیل میکند. ##### انواع ADC مورد استفاده در DMM ###### ۱. ا Dual Slope ADC: - متداولترین نوع در مولتیمترهاست. - ابتدا ولتاژ ورودی برای زمان مشخصی به خازن شارژ میدهد (Integration). - سپس خازن با جریان مرجع تخلیه میشود و زمان تخلیه اندازهگیری میشود. - این زمان متناسب با ولتاژ ورودی است. - مزیت: دقت بسیار بالا و مقاومت در برابر نویز AC (مثلاً در فرکانس ۵۰Hz). ###### ۲. ا Σ–Δ (Sigma-Delta) ADC: - در مولتیمترهای دقیقتر استفاده میشود. سیگنال ورودی را با نرخ بسیار بالا نمونهبرداری و فیلتر میکند تا خطای کوانتیزاسیون کم شود. - مزیت: رزولوشن بسیار بالا (تا ۲۴ بیت) برای کاربردهای دقیق. - عیب: سرعت پایینتر در مقایسه با Flash ADC. ###### ۳.ا Flash ADC: - در اسیلوسکوپها یا مولتیمترهای بسیار سریع کاربرد دارد. همهی سطوح ولتاژ را همزمان مقایسه میکند. - مزیت: سرعت بالا - عیب: مصرف توان زیاد و هزینهی بالا. --- ## ۴. واحد پردازش و نمایش (Processing & Display Unit) واحد پردازش و نمایش به منزله **مغز و رابط کاربری** مولتیمتر دیجیتال عمل میکند. دادههای خام دیجیتال که از خروجی بلوک **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)** دریافت میشوند، برای تبدیل شدن به یک مقدار فیزیکی قابل درک و نمایش به کاربر، نیاز به تحلیل، کالیبراسیون و سازماندهی دارند. این وظایف بر عهده **میکروکنترلر (Microcontroller - MCU)** اصلی دستگاه است. **وظایف اصلی میکروکنترلر:** 1. **مدیریت کل سیستم و کنترل فرآیند:** میکروکنترلر نه تنها دادهها را پردازش میکند، بلکه به عنوان مدیر کل سیستم، تمامی بلوکهای دیگر DMM را کنترل میکند. این شامل **انتخاب رنج خودکار (Auto-ranging)**، کنترل زمانبندی و فعالسازی ADC، مدیریت حالتهای اندازهگیری (ولتاژ، جریان، مقاومت، فرکانس، دما و غیره) و دریافت ورودی از دکمههای کنترلی یا سلکتور اصلی است. 2. **محاسبات و کالیبراسیون:** مهمترین وظیفه پردازنده، اعمال **ضرایب کالیبراسیون** دقیق برای جبرانسازی خطاهای ذاتی مدارهای آنالوگ و سنسورها است. همچنین، بسیاری از کمیتهای پیشرفته نیاز به محاسبات پیچیدهتری دارند؛ برای مثال، برای اندازهگیری **مقاومت** باید ولتاژ و جریان اعمالی بر اساس قانون اهم محاسبه شود، برای حالت **دماسنج** باید ولتاژ خوانده شده از ترموکوپل به واحد دما (°C یا °F) تبدیل شود، و در نهایت برای ویژگی **True RMS**، پردازنده باید یک سری محاسبات ریاضی برای یافتن مقدار مؤثر واقعی سیگنال متناوب غیرسینوسی را انجام دهد. 3. **مدیریت نمایشگر و رابط کاربری:** در نهایت، داده پردازششده باید به گونهای فرمتبندی شود که در **نمایشگر کریستال مایع (LCD)** قابل نمایش باشد. میکروکنترلر مسئول فعالسازی سگمنتهای صحیح برای نمایش ارقام، اعشار، واحد اندازهگیری (مانند $V$, $A$, $\Omega$, $Hz$)، و همچنین نشانگرهای وضعیت مانند **باتری کم** یا **نگهداری داده (Data Hold)** است. دقت نمایشگرهای DMM با واحدی به نام **Count** مشخص میشود که تعداد ارقام قابل نمایش را نشان میدهد و مستقیماً با رزولوشن اندازهگیری ارتباط دارد. ##### **نمایشگر (Display):** نمایشگرهای **LCD** به دلیل مصرف توان بسیار پایین، انتخاب غالب در مولتیمترهای پرتابل هستند. این نمایشگرها اطلاعات را به صورت اعداد مجزا و همچنین آیکونهای متنی یا گرافیکی کوچک (مانند نشانگر آنالوگ میلهای موسوم به **Bargraph**) نمایش میدهند. Bargraphها که در پایین LCD قرار دارند، جایگزینی بصری برای نمایشگرهای آنالوگ قدیمی فراهم کرده و به کاربر اجازه میدهند تا تغییرات سریع سیگنال را بهتر رصد کند. واحد پردازش و نمایش، با انجام این وظایف، تضمین میکند که مولتیمتر نه تنها قادر به اندازهگیری کمیتهای خام باشد، بلکه نتایجی **دقیق، خوانا و قابل اعتماد** را در اختیار مهندس یا تکنسین قرار دهد و به عنوان یک ابزار هوشمند در مدار عمل کند. --- ## ۵. منبع تغذیه (Power Supply Unit) برخلاف مولتیمترهای آنالوگ که برای اندازهگیری ولتاژ و جریان اغلب نیازی به منبع تغذیه داخلی نداشتند (زیرا انرژی لازم برای حرکت عقربه از خود مدار اندازهگیری شده تأمین میشد)، **مولتیمترهای دیجیتال (DMM)** به دلیل ماهیت الکترونیکی مدارهای خود، به یک منبع تغذیه داخلی پایدار و مطمئن نیاز دارند. این منبع تغذیه، انرژی لازم برای عملکرد مدارهای مجتمع حساس مانند **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)**، **تقویتکنندههای عملیاتی (Op-Amps)**، **میکروکنترلر** و **نمایشگر LCD** را فراهم میسازد. **باتری و قابلیت حمل:** منبع اصلی تغذیه در تقریباً تمام DMMهای قابل حمل، **باتری** است (معمولاً باتریهای ۹ ولتی یا دو یا چهار باتری قلمی AA/AAA). انتخاب باتری به جای اتصال مستقیم به برق شهر، تضمینکننده **ایزولهسازی** کامل دستگاه از زمین و پتانسیلهای خارجی است که این ویژگی هم برای ایمنی کاربر و هم برای دقت اندازهگیری ضروری است. از آنجایی که نمایشگرهای LCD مصرف توان بسیار کمی دارند، عمر باتری در مولتیمترهای دیجیتال معمولاً بسیار طولانی است. **مدارات رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulators):** یکی از چالشهای اصلی در سیستمهای باتریدار، **افت تدریجی ولتاژ** باتری در طول زمان تخلیه است. با این حال، دقت مدارهای داخلی DMM، به خصوص عملکرد ADC، به شدت به یک ولتاژ DC **کاملاً ثابت و پایدار** وابسته است. برای حل این مشکل، مدار منبع تغذیه از یک یا چند **رگولاتور ولتاژ** (Voltage Regulators) استفاده میکند. این رگولاتورها وظیفه دارند ولتاژ متغیر باتری را دریافت کرده و آن را به ولتاژهای ثابت و دقیق مورد نیاز مدارهای مجتمع (معمولاً $5 V$ یا $3.3 V$) تبدیل و تثبیت کنند. **ایجاد ولتاژ مرجع (Reference Voltage):** حساسترین و حیاتیترین بخش در بلوک منبع تغذیه، ایجاد **ولتاژ مرجع ($V_{REF}$)** برای مبدل ADC است. این ولتاژ در واقع استاندارد یا "ترازو"یی است که ADC برای مقایسه با ولتاژ ورودی و تبدیل آن به عدد دیجیتال از آن استفاده میکند. دقت نهایی اندازهگیری در DMM مستقیماً با پایداری $V_{REF}$ نسبت دارد. به همین دلیل، برای تولید این ولتاژ از قطعات خاصی مانند **دیودهای زنر دقیق** یا **مدارهای مجتمع مرجع ولتاژ با پایداری حرارتی بالا** استفاده میشود تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ مرجع، حتی با تغییرات دما یا افت ولتاژ باتری، در طول زمان ثابت باقی بماند. --- ### نتیجهگیری مولتیمتر به عنوان یکی از مهمترین ابزارهای اندازهگیری در مهندسی برق، مسیر طولانی از مدلهای مکانیکی اولیه تا مولتیمترهای دیجیتال و هوشمند امروزی را پیموده است. این تحول موجب افزایش دقت، سرعت، ایمنی و تنوع کاربرد آن شده است. در مولتیمترهای دیجیتال، ساختار داخلی از چند بخش کلیدی تشکیل شده است: بخش ورودی و محافظت که وظیفه جلوگیری از آسیب به مدارها و کنترل ولتاژهای بالا را دارد، مدارهای تضعیف و تقویت برای تنظیم سطح سیگنال، مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) که دادهها را به شکل قابلپردازش تبدیل میکند، واحد پردازش و نمایش برای تحلیل، کالیبراسیون و نمایش دقیق مقادیر، و در نهایت منبع تغذیه پایدار که انرژی لازم برای عملکرد همه بخشها را فراهم میکند. پیشرفتهایی مانند قابلیت True RMS، Auto Ranging، Clamp Meter و مولتیمترهای هوشمند نشان میدهد که این ابزار نهتنها از نظر سختافزاری بلکه از نظر نرمافزاری نیز به سمت دقت و کارایی بیشتر پیش میرود. به طور کلی، مولتیمتر دیجیتال ترکیبی از مهندسی دقیق، حفاظت ایمن و پردازش هوشمند است که آن را به ابزاری ضروری و قابل اعتماد در دنیای الکترونیک مدرن تبدیل کرده است --- ### منابع - Horowitz & Hill, _The Art of Electronics_ - Paul Scherz & Simon Monk, _Practical Electronics for Inventors_ - Fluke Corporation, _Digital Multimeter Application Notes_ - Keysight Technologies, _Understanding DMM Architecture_
نام: مهدی حسینی
وابستگی: گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه فردوسی مشهد
ایمیل: mahdihossaini3@gmail.com
--- --- ## مقدمه مولتی متر یکی از پرکاربردترین ابزار ها در مهندسی برق و الکترونیک هستش که برای اندازه گیری کمیت های مختلف الکتریکی مانند **ولتاژ (Voltage)، جریان (Current)، مقاومت (Resistance)** و پارامتر های پیشرفته تر مانند ظرفیت خازن، فرکانس، دما و ... استفاده می شود. این ابزار نه تنها در آزمایشگاه های آموزشی و صنعتی کاربرد دارد، بلکه یکی از ضروری ترین وسایل در تعمیرات، طراحی مدار و عیب یابی محسوب می شود. مولتی متر ها در طول زمان تحولات فراوانی داشتند؛ از مدل های ساده و مکانیکی اولیه تا دستگاه های پیشرفته ی دیجیتال امروزی که دقت بالا، امکانات اندازه گیری متعدد و قابلیت های ارتباطی دارند. در این بخش، به بررسی مسیر تکامل این ابزار ارزشمند و انواع آن خواهیم پرداخت. نکتهٔ فنی مهمی که هنگام استفاده از مولتیمتر باید دقت کرد اینه که به محدوده اندازهگیری (range)، مقاومت داخلی ورودی (input impedance)، دقة ADC، و ولتاژ/جریان ماکزیمم قابل تحمل توجه داشت؛ عدم توجه به این موارد میتواند هم به خطای اندازهگیری منجر شود و هم به آسیب دستگاه یا مدار مورد آزمایش. --- ## تاریخچه و تکامل مولتی متر ها ### دوران اولیه – گالوانومتر و آمپرمتر های مکانیکی (اواخر قرن ۱۹) پیش از اختراع مولتی متر، مهندسان برای اندازهگیری هر کمیت الکتریکی از دستگاه جداگانه ای استفاده می کردند. در اواخر قرن نوزدهم، ابزارهایی مانند **گالوانومتر** برای اندازهگیری جریان های کوچک و **ولت متر های مکانیکی** برای اندازه گیری ولتاژ طراحی شدند. این ابزار ها معمولاً از **حرکت یک عقربه مکانیکی تحت تأثیر میدان مغناطیسی جریان عبوری** استفاده میکردند. در این دوره، خطوط تولید و استانداردسازی هنوز در ابتدای راه بود؛ بنابراین ابزارها غالباً سفارشی یا تولید محدود برای کاربریهای خاص بودند.Fig1: Galvanometer
---
### تولد مولتی متر – دهه ۱۹۲۰
نخستین مولتی متر قابل حمل در سال **۱۹۲۳** توسط مهندس بریتانیایی **Donald Macadie** ساخته شد. او که از حمل چندین ابزار برای اندازهگیری جریان، ولتاژ و مقاومت خسته شده بود، دستگاهی طراحی کرد که همه ی این عملکرد ها را در یک ابزار واحد ترکیب می کرد. این اختراع، که ابتدا با نام **AVO Meter** (مخفف Ampere-Volt-Ohm) شناخته شد، سنگ بنای مولتی متر های امروزی شد.
Fig2: Avometer
---
### پیشرفت های قرن بیستم – مولتی متر های آنالوگ
در نیمه قرن بیستم، مولتی متر های آنالوگ به عنوان ابزار اصلی مهندسان شناخته شدند. این دستگاه ها از **عقربه های مکانیکی حساس و مدار های مقاومتی تقسیم کننده** استفاده می کردند و علی رغم دقت نسبتاً پایین تر، درک تصویری خوبی از تغییرات سیگنال ها ارائه می دادند. هنوز هم در برخی کاربرد ها (مانند مشاهده ی روند تغییرات سیگنال) از این نوع مولتی متر ها استفاده می شود.
Fig3: Analog Multimeter
---
### انقلاب دیجیتال – دهه ۱۹۷۰ تا امروز
با پیشرفت فناوری نیمه هادی ها و مدار های مجتمع در دهه ۱۹۷۰، مولتی متر های دیجیتال (DMM: Digital Multimeter) وارد بازار شدند. این دستگاه ها با استفاده از **مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)**، مقادیر اندازه گیری شده را با دقت بالا بر روی صفحه نمایش دیجیتال نشان می دهند.
همچنین استانداردهای ایمنی (CAT I–CAT IV) و حفاظت داخلی مکانیکی/الکترونیکی (فیوزها، مدارهای تقسیمکننده مقاوم، گزینههای تست شارژ) در طراحیهای صنعتی وارد شدند تا ریسک کاربرد در محیطهای ولتاژ بالا کاهش یابد.
Fig4: Digital Multimeter
---
## مقایسهی مولتی متر های آنالوگ و دیجیتال
| ویژگی | مولتی متر آنالوگ | مولتی متر دیجیتال (DMM) |
| ----------------- | ------------------------------------ | ----------------------- |
| **دقت** | پایین تر | بالا |
| **نحوه نمایش** | عقربه و مقیاس خطی | عدد دیجیتال روی LCD |
| **پاسخ دینامیکی** | سریع تر برای تغییرات ناگهانی | کندتر اما دقیق تر |
| **هزینه** | ارزان تر | گران تر |
| **قابلیت ها** | محدود به V، I، R | چند منظوره و قابل توسعه |
| **خطای پارالاکس** | وجود دارد (خطای دید در هنگام خواندن) | وجود ندارد |
**جمع بندی:** در حالی که مولتی متر های آنالوگ برای مشاهده ی روند تغییرات مناسب تر هستند، مولتی متر های دیجیتال در کاربرد هایی که دقت بالا و قابلیت های پیشرفته مورد نیاز است، انتخاب برتر محسوب می شوند.
---
## انواع مولتی متر های پیشرفته
امروزه مولتی متر ها در قالب های تخصصی تر نیز تولید می شوند تا پاسخگوی نیاز های صنعتی و آزمایشگاهی باشند:
### ۱. مولتی متر های True RMS
ا RMS مخفف Root Mean Square یا مقدار میانگین مربع ریشه است و در برق متناوب (AC) برای تعریف مقدار مؤثر ولتاژ یا جریان استفاده میشود.
به بیان ساده، مقدار RMS یک ولتاژ متناوب، معادل ولتاژ مستقیم (DC) است که در یک مقاومت، همان مقدار حرارت را تولید میکند.
###### محدودیت مولتی متر های معمولی
اکثر مولتیمترهای دیجیتال ساده، RMS را به روشهای تقریبی محاسبه میکنند (به آنها Average Responding میگویند). این روشها بر این فرض بنا شدهاند که شکل موج سیگنال AC همیشه کاملاً سینوسی (Sinusoidal) است. در یک موج سینوسی خالص، رابطه بین مقدار پیک (اوج) و مقدار RMS ثابت است ($\text{RMS} = \text{Peak} / 1.414$). مولتیمترهای معمولی، مقدار پیک را اندازهگیری کرده و بر اساس همین فرمول ثابت، مقدار RMS را تخمین میزنند.
###### اهمیت True RMS
در دنیای واقعی و مدارهای مدرن، شکل موجهای AC به ندرت کاملاً سینوسی هستند. وجود بارهایی مانند درایوهای سرعت متغیر (VFD)، مبدلهای DC به AC، کامپیوترها و منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، باعث ایجاد شکل موجهای غیر سینوسی، پالسی یا اعوجاج یافته (Distorted) میشوند.
در این شرایط، مولتیمتر معمولی (Average Responding) همچنان از همان فرمول ثابت استفاده میکند و مقدار RMS اشتباه را نمایش میدهد. مولتیمتر True RMS با اندازهگیری دقیق و واقعی مقدار حرارت تولید شده توسط سیگنال، مقدار مؤثر واقعی سیگنال را محاسبه میکند، بدون توجه به شکل موج آن.
مولتیمتر True RMS مقدار RMS واقعی را با محاسبهٔ عبارت
$$
\sqrt{v^2(t) dt \int_{t_0}^T \frac{1}{T} dt}
$$
(فرمول شماره یک)
یا معادل دیجیتال آن (نمونهبرداری و محاسبهٔ میانگین مربعات نمونهها و سپس جذر گرفتن) محاسبه میکند.
Fig5: True RMS Multimeter
---
### ۲. مولتی متر های Auto-ranging
در این نوع مولتی متر، کاربر نیازی به انتخاب محدوده اندازه گیری ندارد. دستگاه به طور خودکار محدوده مناسب را تشخیص داده و تنظیم می کند که باعث **افزایش سرعت و کاهش خطای کاربر** میشود.
پیاده سازی: معمولاً با استفاده از ADC و سوئیچهای الکترونیکی (مثلاً آرایهای از مقاومتها و سوئیچهای FET) که توسط میکروکنترلر کنترل میشوند. الگوریتم کاری بهصورت زیر است:
۱. نمونهبرداری اولیه با رِنج بالا
۲. سنجش اندازهٔ نمونه
۳. انتخاب رِنج مناسب (افزایش یا کاهش تقسیمکننده) و تکرار نمونهبرداری برای دقت بالاتر
نکته ای که Auto-ranging دارد این است که زمان پاسخ را کمی افزایش میدهد و در سناریوهایی که نیاز به خواندن سریع پیوسته است (مثل نمایش موجهای سریع) ممکن است محدودیت ایجاد کند؛ بنابراین دستگاههایی هم هستند که بهصورت دستی یا نیمهخودکار عمل میکنند تا سرعت حفظ شود.
Fig6: Auto Ranging Multimeter
---
### ۳. مولتی متر های Clamp (گیره ای)
مولتیمتر انبری، که به آن آمپرمتر کلمپی یا چنگکی نیز گفته میشود، دستگاهی است که یک قابلیت مهم به قابلیتهای مولتیمتر معمولی اضافه کرده: **اندازهگیری جریان بالا بدون قطع مدار**.
###### ویژگیهای کلیدی
- اندازهگیری جریان غیر تماسی (Non-Contact Current Measurement): این دستگاه دارای یک دهانه انبری (Clamp Jaws) است که با استفاده از اصل القای مغناطیسی، میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان را حس کرده و جریان (آمپر) عبوری از آن را بدون نیاز به سری کردن دستگاه با مدار، اندازهگیری میکند.
- ایمنی بالا: از آنجایی که کاربر نیازی به تماس مستقیم با ترمینالها یا قطع مدار برای اندازهگیری جریان ندارد، ایمنی در کار با ولتاژها و جریانهای بالا (معمولاً تا ۱۰۰۰ آمپر) به شدت افزایش مییابد.
- تمرکز بر جریان: اگرچه بسیاری از کلمپمترهای مدرن قابلیتهای استاندارد مولتیمتر (ولتاژ، مقاومت) را نیز دارند، اما تخصص اصلی آنها در اندازهگیری جریانهای بالا در محیطهای صنعتی، تابلوهای برق، و سیستمهای HVAC است.
Fig7: Clamp Multimeter
---
### ۴. مولتیمتر رومیزی (Benchtop Multimeter)
مولتیمترهای رومیزی، که اغلب به عنوان DMMهای آزمایشگاهی نیز شناخته میشوند، برخلاف مدلهای پرتابل، برای استفاده ثابت بر روی میز کار یا در آزمایشگاهها طراحی شدهاند. هدف اصلی این دستگاهها ارائه بالاترین سطح دقت، سرعت و قابلیت اطمینان است.
ویژگیها
- دقت بسیار بالا: برخورداری از دقت (Resolution) بالاتر، اغلب در محدوده ۴ تا ۸ رقم یا بیشتر، که این امکان را میدهد تا تغییرات بسیار جزئی در ولتاژ یا جریان تشخیص داده شود.
- ثبات و پایداری: به دلیل استفاده از برق شهری (AC) به جای باتری، از پایداری حرارتی و الکتریکی بیشتری برخوردارند و خوانشهای بسیار ثابتی ارائه میدهند.
- قابلیتهای پیشرفته: اغلب شامل قابلیتهای جانبی و تحلیلی پیشرفته مانند ثبت دادهها (Data Logging)، حافظه داخلی، و امکان انجام محاسبات ریاضی داخلی (مثل مینیمم، ماکزیمم، و انحراف معیار) هستند.
- اتصال به کامپیوتر: تقریباً همه مدلها دارای پورتهای ارتباطی (مانند USB، LAN، یا GPIB) هستند تا بتوانند دادهها را به کامپیوتر یا سیستمهای اتوماسیون منتقل کرده و تحت نرمافزارهای تخصصی تحلیل شوند.
- صفحه نمایش بزرگ: نمایشگرهای بزرگتری دارند که اغلب امکان نمایش چندین پارامتر به صورت همزمان (مثلاً ولتاژ و فرکانس همزمان) یا نمایش نمودارها را فراهم میکند.
Fig8: Benchtop Multimeter
---
### ۵. مولتیمتر هوشمند (Smart Multimeter)
مولتیمترهای هوشمند یک نسل جدید از مولتیمترهای دیجیتال (DMM) هستند که با هدف حذف خطای انسانی و سهولت کاربری طراحی شدهاند. این دستگاهها با تکیه بر ریزپردازندههای داخلی، قابلیت تشخیص خودکار پارامتر اندازهگیری را دارند.
ویژگی های کلیدی
- تشخیص خودکار (Auto-Detection): بارزترین ویژگی این مدلهاست. کافیست پرابها را به مدار وصل کنید. دستگاه به صورت خودکار تشخیص میدهد که آیا در حال اندازهگیری ولتاژ متناوب (AC)، ولتاژ مستقیم (DC)، یا مقاومت هستید و تنظیمات داخلی را بدون نیاز به تنظیم سلکتور توسط کاربر، انجام میدهد.
- اتو رنج کامل: تمامی تنظیمات رنج (محدوده) اندازهگیری کاملاً خودکار است و احتمال آسیب به دستگاه بر اثر انتخاب رنج اشتباه را به صفر میرساند.
- قابلیت NCV (اندازهگیری ولتاژ غیر تماسی): بسیاری از مدلهای هوشمند دارای قابلیت NCV هستند که به کاربر امکان میدهد بدون تماس فیزیکی با سیم، وجود ولتاژ را تشخیص دهد و ایمنی کار را افزایش میدهد.
- حفاظت ضد اشتباه: دارای مدارهای محافظتی داخلی قوی هستند که در صورت اتصال تصادفی در حالت نامناسب (مثلاً اندازهگیری مقاومت بر روی خط برق)، از سوختن دستگاه جلوگیری میکند.
- طراحی ساده و کوچک: اغلب با کمترین تعداد دکمه و سلکتور طراحی میشوند تا کاربری آنها را برای افراد مبتدی و تکنسینهای میدانی آسان کند.
Fig9: Smart Multimeter
---
# بلوک های سازنده مولتی متر های دیجیتال (DMM)
Fig10: DMM Blockdiagram
##### توضیح مختصر اجزا
خلاصه وظیفه کلی:
مولتیمتر ابتدا نوع سیگنال (AC/DC/اهم) را انتخاب میکند، سپس سیگنال را تضعیف یا تبدیل (AC به DC یا اهم به ولتاژ) میکند تا یک ولتاژ DC استاندارد برای اندازهگیری داشته باشد. این ولتاژ DC به A/D Converter اعمال میشود، که آن را به یک عدد دیجیتال تبدیل میکند. در نهایت، این عدد بر روی Digital Display نمایش داده میشود و از طریق BCD Output/Interface در دسترس سیستمهای دیگر قرار میگیرد.
###### بخش ورودی (Input Section)
- ورودی (Input): نقطهای که سیگنال مورد اندازهگیری (ولتاژ یا جریان) به دستگاه اعمال میشود.
- ا High/Low: پایانههای ورودی مولتیمتر. معمولاً "High" برای اتصال مثبت یا سیگنال و "Low" برای اتصال زمین (مشترک) استفاده میشود.سوئیچ
- ا ac/dc: یک سوئیچ که وضعیت اندازهگیری را بین سیگنالهای متناوب (AC) و سیگنالهای مستقیم (DC) تعیین میکند.
- ا Shunt (شنت): یک مقاومت با مقدار بسیار کم و دقیق که به صورت موازی با ورودی قرار میگیرد. این بخش برای اندازهگیری جریان به کار میرود. با اندازهگیری افت ولتاژ در دو سر شنت، مقدار جریان ورودی محاسبه میشود ($V = I \times R$).
###### مدارهای تنظیم و تبدیل سیگنال (Signal Conditioning and Conversion) - ا dc Attenuator (تضعیفکننده DC): برای اندازهگیری ولتاژ DC در محدودههای مختلف استفاده میشود. این مدار، ولتاژ DC ورودی را (که ممکن است زیاد باشد) به سطح مناسبی برای اعمال به مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) کاهش میدهد (تضعیف میکند). - ا ac Attenuator (تضعیفکننده AC): مشابه تضعیفکننده DC، برای اندازهگیری ولتاژ AC در محدودههای مختلف، سیگنال ورودی را تضعیف میکند. - ا ac Converter (مبدل AC): این بلوک، سیگنال ولتاژ متناوب (AC) تضعیفشده را به یک ولتاژ مستقیم (DC) متناسب با مقدار RMS (ریشه میانگین مربع) یا میانگین سیگنال AC تبدیل میکند. این ولتاژ DC سپس به A/D اعمال میشود. - ا Ohms Converter (مبدل اهم): این مدار برای اندازهگیری مقاومت (Ohms) استفاده میشود. دستگاه ولتاژ ثابتی را از طریق یک مقاومت سری شناخته شده به مقاومت مجهول اعمال میکند و جریان یا ولتاژ ایجاد شده را به یک ولتاژ DC متناسب با مقدار مقاومت مجهول تبدیل میکند.
###### مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D) و مرجع - سوئیچهای مد ورودی A/D: دو سوئیچ پس از بلوکهای تضعیف/تبدیل قرار دارند که یکی از ولتاژهای DC (از dc Attenuator)، یا ولتاژ DC تبدیلشده از AC (از ac Converter)، یا ولتاژ DC متناسب با مقاومت (از Ohms Converter) را انتخاب کرده و به ورودی مبدل A/D اعمال میکنند. - ا A/D (Analog-to-Digital Converter): مهمترین بلوک دستگاه است. این مبدل ولتاژ آنالوگ (DC) آماده شده در ورودی را به یک مقدار دیجیتال متناسب (یک عدد دودویی) تبدیل میکند. دقت مولتیمتر عمدتاً به دقت و وضوح این مبدل بستگی دارد. - ا Precision Reference (مرجع دقیق): یک منبع ولتاژ بسیار پایدار و دقیق که به مبدل A/D متصل است. مبدل A/D از این ولتاژ مرجع برای مقایسه با ولتاژ ورودی آنالوگ و تولید خروجی دیجیتال دقیق استفاده میکند.
###### بخش خروجی و نمایشگر (Output and Display) - ا Digital Display (نمایشگر دیجیتال): دادههای دیجیتال خروجی از A/D (یا پس از پردازش نهایی) را دریافت کرده و آن را به صورت عدد بر روی نمایشگر (مانند LCD یا LED) نمایش میدهد تا کاربر بتواند مقدار اندازهگیریشده را بخواند. - ا BCD Output (خروجی BCD): خروجی دیجیتال اندازهگیریشده را در فرمت Binary Coded Decimal (کدگذاری دهدهی باینری) ارائه میدهد. این خروجی برای اتصال به دستگاههای جانبی، پرینترها یا سیستمهای دادهبرداری استفاده میشود. - ا Interface (واسط): یک مدار واسط (مانند RS-232، USB یا GPIB) که به دستگاه اجازه میدهد تا دادههای اندازهگیری را به یک کامپیوتر یا سیستم کنترل خارجی ارسال کند. در ادامه بخش های مختلف رو به صورت جزئی تر و کامل تر بررسی میکنیم --- ## ۱. بخش ورودی و محافظت (Input & Protection Stage) بلوک **ورودی و محافظت** اولین نقطه تماس مولتیمتر دیجیتال (DMM) با مدار تحت اندازهگیری است و در حکم **سپر دفاعی** دستگاه عمل میکند. وظیفه اصلی این بلوک، دریافت سیگنالهای الکتریکی از پروبها و **حفاظت از مدارهای داخلی بسیار حساس** (مانند ADC، Op-Amps و میکروکنترلر) در برابر هرگونه ولتاژ یا جریان بیش از حد مجاز (Overload) یا گذرا (Transient) است. **دریافت سیگنال و مدارهای حفاظتی:** سیگنال ورودی بلافاصله پس از درگاههای ورودی دستگاه، وارد مدارات حفاظتی میشود. حیاتیترین عناصر حفاظتی عبارتند از: - **فیوزها (Fuses):** اصلیترین محافظت در برابر **جریانهای بیش از حد (Overcurrent)**، به ویژه هنگام اندازهگیری **جریان (آمپرمتر)** است. اگر جریان ورودی از مقدار آستانه (معمولاً ۲۰۰ میلیآمپر برای رنجهای کوچک و ۱۰ آمپر برای رنجهای بزرگ) تجاوز کند، فیوز سوخته و مدار را به صورت فیزیکی قطع میکند تا از آسیب دیدن مقاومتهای شنت و سایر مدارات داخلی جلوگیری شود. اغلب DMMهای با کیفیت از دو فیوز در مسیرهای مختلف جریان استفاده میکنند. - **وریستورها (Varistors) و دیودهای محافظ (Protection Diodes):** این قطعات برای محافظت در برابر **ولتاژهای ناگهانی و گذرا (Surge Protection)** به کار میروند. **وریستور** در برابر ولتاژهای بسیار بالا، مقاومت خود را به شدت کاهش میدهد و ولتاژ اضافی را به زمین منحرف میکند. دیودهای زنر یا دیودهای محافظ (مانند Transil) نیز ولتاژ ورودی را به محدودهای ایمن برای مدارهای داخلی محدود میکنند و از رسیدن ولتاژهای خطرناک به ADC جلوگیری مینمایند. **مدار اندازهگیری ولتاژ و مقاومت:** در حالت اندازهگیری **ولتاژ** یا **مقاومت**، مدارهای حفاظتی اولیه وظیفه خود را انجام داده و سیگنال را به بلوک بعدی (تقسیمکننده و تقویتکننده) هدایت میکنند. در این حالت، مقاومت ورودی مولتیمتر بسیار بالا ($10 M\Omega$) است تا مدار تحت اندازهگیری را بارگذاری نکند. **مدار اندازهگیری جریان:** هنگام اندازهگیری **جریان**، ورودی به صورت سری از یک **مقاومت شنت (Shunt Resistor)** با مقدار بسیار کم (مثلاً $\text{m}\Omega$ها) عبور میکند. این مقاومت شنت، جریان عبوری را به یک **افت ولتاژ متناسب** تبدیل میکند (بر اساس قانون اهم: $V = I \times R$). سپس این ولتاژ بسیار کوچک توسط فیوز و مدارات حفاظتی محدود شده و به بلوک تقویتکننده فرستاده میشود تا تقویت و اندازهگیری شود. این مقاومت شنت نیز باید در برابر جریانهای بالا مقاوم باشد. به طور خلاصه، بلوک ورودی و محافظت تضمینکننده **ایمنی کاربر** و **طول عمر دستگاه** است و اولین فیلتر برای تفکیک سیگنال اندازهگیری شده از نویزها و ولتاژ/جریانهای مخرب خارجی به شمار میرود. --- ## ۲. مدار تقسیم کننده و تقویت کننده (Attenuator & Amplifier Stage) بلوک تنظیم سیگنال (Signal Conditioning)، که شامل تقویتکنندهها و تضعیفکنندهها میشود، نقش حیاتی در آمادهسازی سیگنال ورودی برای بلوک اصلی اندازهگیری یعنی **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)** دارد. هدف این بخش این است که سیگنال ورودی، با هر دامنه و مقداری که باشد، در یک محدوده ولتاژی استاندارد و قابل قبول برای ADC قرار گیرد. **ا Attenuatorها (تضعیفکنندهها) و مدار تقسیمکننده:** برای اندازهگیری ولتاژهای بالا (مانند $100V$ یا $1000V$)، که بسیار فراتر از محدوده کاری استاندارد ADC (که معمولاً چند ولت است) قرار دارند، از مدارات **تضعیفکننده** استفاده میشود. متداولترین نوع این مدارات، **شبکه تقسیمکننده ولتاژ مقاومتی (Resistive Voltage Divider)** است. این شبکه از آرایهای از مقاومتهای سری دقیق تشکیل شده است که ولتاژ ورودی را بر اساس نسبتهای ثابت (مثلاً $1/10$ یا $1/100$) کاهش میدهند. **وظیفه و اهمیت:** تضعیفکنندهها اطمینان میدهند که ولتاژ بالا بدون آسیب زدن به مدارهای داخلی، به یک سطح ایمن و قابل اندازهگیری برای ADC کاهش یابد. **دقت** و **پایداری حرارتی** مقاومتهای به کار رفته در این تقسیمکنندهها بسیار حیاتی است، زیرا هرگونه خطایی در نسبت تقسیم، مستقیماً بر دقت اندازهگیری ولتاژ توسط کل دستگاه تأثیر میگذارد. **تقویتکنندههای عملیاتی (Operational Amplifiers - Op-Amps):** در مقابل اندازهگیری ولتاژهای بالا، در مواقعی نیاز است تا سیگنالهای بسیار ضعیف و با دامنه پایین (مانند میلیولتها) که از سنسورها یا نقاط خاص مدار دریافت میشوند، تقویت شوند. این وظیفه بر عهده **تقویتکنندههای عملیاتی (Op-Amps)** است. **وظیفه و عملکرد:** 1. **تقویت سیگنالهای ضعیف:** آپاَمپها سیگنالهای کوچک را تقویت میکنند تا به سطح قابل قبول برای ADC برسند و از دست رفتن اطلاعات به دلیل نویز یا رزولوشن پایین جلوگیری شود. 2. **بافر (Buffer) و حفظ امپدانس ورودی:** آپاَمپها همچنین به عنوان **بافر ولتاژ** مورد استفاده قرار میگیرند تا **امپدانس ورودی بسیار بالای** مولتیمتر (معمولاً $10 M\Omega$) را حفظ کنند. امپدانس ورودی بالا تضمین میکند که مولتیمتر هنگام اتصال به مدار، کمترین "بار" (Load) را ایجاد کرده و تأثیر ناچیزی بر عملکرد مدار تحت اندازهگیری بگذارد. 3. **تبدیل جریان به ولتاژ:** در حالت اندازهگیری **جریان**، ابتدا جریان از یک مقاومت شنت عبور کرده و به یک ولتاژ بسیار کوچک تبدیل میشود. سپس از آپاَمپها برای تقویت دقیق این ولتاژ کوچک استفاده میشود تا اندازهگیری جریان با دقت بالا انجام شود. در مجموع، بلوک تنظیم سیگنال با استفاده هوشمندانه از تقسیمکنندهها و تقویتکنندهها، یک **بازه دینامیکی وسیع** از سیگنالهای ورودی را به یک **بازه استاندارد و محدود** تبدیل میکند و این آمادگی حیاتی را برای بلوک ADC فراهم میسازد. --- ## ۳. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC – Analog to Digital Converter) این قسمت «قلب» مولتیمتر دیجیتال است. وظیفهی آن، تبدیل سیگنال پیوستهی آنالوگ به دادهی دیجیتال قابلپردازش است. عملکرد و فرآیند: ADC با نرخ نمونهبرداری مشخص (Sampling Rate) از سیگنال ورودی نمونه میگیرد، سپس مقدار ولتاژ هر نمونه را کوانتیزه و به عدد باینری متناظر تبدیل میکند. ##### انواع ADC مورد استفاده در DMM ###### ۱. ا Dual Slope ADC: - متداولترین نوع در مولتیمترهاست. - ابتدا ولتاژ ورودی برای زمان مشخصی به خازن شارژ میدهد (Integration). - سپس خازن با جریان مرجع تخلیه میشود و زمان تخلیه اندازهگیری میشود. - این زمان متناسب با ولتاژ ورودی است. - مزیت: دقت بسیار بالا و مقاومت در برابر نویز AC (مثلاً در فرکانس ۵۰Hz). ###### ۲. ا Σ–Δ (Sigma-Delta) ADC: - در مولتیمترهای دقیقتر استفاده میشود. سیگنال ورودی را با نرخ بسیار بالا نمونهبرداری و فیلتر میکند تا خطای کوانتیزاسیون کم شود. - مزیت: رزولوشن بسیار بالا (تا ۲۴ بیت) برای کاربردهای دقیق. - عیب: سرعت پایینتر در مقایسه با Flash ADC. ###### ۳.ا Flash ADC: - در اسیلوسکوپها یا مولتیمترهای بسیار سریع کاربرد دارد. همهی سطوح ولتاژ را همزمان مقایسه میکند. - مزیت: سرعت بالا - عیب: مصرف توان زیاد و هزینهی بالا. --- ## ۴. واحد پردازش و نمایش (Processing & Display Unit) واحد پردازش و نمایش به منزله **مغز و رابط کاربری** مولتیمتر دیجیتال عمل میکند. دادههای خام دیجیتال که از خروجی بلوک **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)** دریافت میشوند، برای تبدیل شدن به یک مقدار فیزیکی قابل درک و نمایش به کاربر، نیاز به تحلیل، کالیبراسیون و سازماندهی دارند. این وظایف بر عهده **میکروکنترلر (Microcontroller - MCU)** اصلی دستگاه است. **وظایف اصلی میکروکنترلر:** 1. **مدیریت کل سیستم و کنترل فرآیند:** میکروکنترلر نه تنها دادهها را پردازش میکند، بلکه به عنوان مدیر کل سیستم، تمامی بلوکهای دیگر DMM را کنترل میکند. این شامل **انتخاب رنج خودکار (Auto-ranging)**، کنترل زمانبندی و فعالسازی ADC، مدیریت حالتهای اندازهگیری (ولتاژ، جریان، مقاومت، فرکانس، دما و غیره) و دریافت ورودی از دکمههای کنترلی یا سلکتور اصلی است. 2. **محاسبات و کالیبراسیون:** مهمترین وظیفه پردازنده، اعمال **ضرایب کالیبراسیون** دقیق برای جبرانسازی خطاهای ذاتی مدارهای آنالوگ و سنسورها است. همچنین، بسیاری از کمیتهای پیشرفته نیاز به محاسبات پیچیدهتری دارند؛ برای مثال، برای اندازهگیری **مقاومت** باید ولتاژ و جریان اعمالی بر اساس قانون اهم محاسبه شود، برای حالت **دماسنج** باید ولتاژ خوانده شده از ترموکوپل به واحد دما (°C یا °F) تبدیل شود، و در نهایت برای ویژگی **True RMS**، پردازنده باید یک سری محاسبات ریاضی برای یافتن مقدار مؤثر واقعی سیگنال متناوب غیرسینوسی را انجام دهد. 3. **مدیریت نمایشگر و رابط کاربری:** در نهایت، داده پردازششده باید به گونهای فرمتبندی شود که در **نمایشگر کریستال مایع (LCD)** قابل نمایش باشد. میکروکنترلر مسئول فعالسازی سگمنتهای صحیح برای نمایش ارقام، اعشار، واحد اندازهگیری (مانند $V$, $A$, $\Omega$, $Hz$)، و همچنین نشانگرهای وضعیت مانند **باتری کم** یا **نگهداری داده (Data Hold)** است. دقت نمایشگرهای DMM با واحدی به نام **Count** مشخص میشود که تعداد ارقام قابل نمایش را نشان میدهد و مستقیماً با رزولوشن اندازهگیری ارتباط دارد. ##### **نمایشگر (Display):** نمایشگرهای **LCD** به دلیل مصرف توان بسیار پایین، انتخاب غالب در مولتیمترهای پرتابل هستند. این نمایشگرها اطلاعات را به صورت اعداد مجزا و همچنین آیکونهای متنی یا گرافیکی کوچک (مانند نشانگر آنالوگ میلهای موسوم به **Bargraph**) نمایش میدهند. Bargraphها که در پایین LCD قرار دارند، جایگزینی بصری برای نمایشگرهای آنالوگ قدیمی فراهم کرده و به کاربر اجازه میدهند تا تغییرات سریع سیگنال را بهتر رصد کند. واحد پردازش و نمایش، با انجام این وظایف، تضمین میکند که مولتیمتر نه تنها قادر به اندازهگیری کمیتهای خام باشد، بلکه نتایجی **دقیق، خوانا و قابل اعتماد** را در اختیار مهندس یا تکنسین قرار دهد و به عنوان یک ابزار هوشمند در مدار عمل کند. --- ## ۵. منبع تغذیه (Power Supply Unit) برخلاف مولتیمترهای آنالوگ که برای اندازهگیری ولتاژ و جریان اغلب نیازی به منبع تغذیه داخلی نداشتند (زیرا انرژی لازم برای حرکت عقربه از خود مدار اندازهگیری شده تأمین میشد)، **مولتیمترهای دیجیتال (DMM)** به دلیل ماهیت الکترونیکی مدارهای خود، به یک منبع تغذیه داخلی پایدار و مطمئن نیاز دارند. این منبع تغذیه، انرژی لازم برای عملکرد مدارهای مجتمع حساس مانند **مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)**، **تقویتکنندههای عملیاتی (Op-Amps)**، **میکروکنترلر** و **نمایشگر LCD** را فراهم میسازد. **باتری و قابلیت حمل:** منبع اصلی تغذیه در تقریباً تمام DMMهای قابل حمل، **باتری** است (معمولاً باتریهای ۹ ولتی یا دو یا چهار باتری قلمی AA/AAA). انتخاب باتری به جای اتصال مستقیم به برق شهر، تضمینکننده **ایزولهسازی** کامل دستگاه از زمین و پتانسیلهای خارجی است که این ویژگی هم برای ایمنی کاربر و هم برای دقت اندازهگیری ضروری است. از آنجایی که نمایشگرهای LCD مصرف توان بسیار کمی دارند، عمر باتری در مولتیمترهای دیجیتال معمولاً بسیار طولانی است. **مدارات رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulators):** یکی از چالشهای اصلی در سیستمهای باتریدار، **افت تدریجی ولتاژ** باتری در طول زمان تخلیه است. با این حال، دقت مدارهای داخلی DMM، به خصوص عملکرد ADC، به شدت به یک ولتاژ DC **کاملاً ثابت و پایدار** وابسته است. برای حل این مشکل، مدار منبع تغذیه از یک یا چند **رگولاتور ولتاژ** (Voltage Regulators) استفاده میکند. این رگولاتورها وظیفه دارند ولتاژ متغیر باتری را دریافت کرده و آن را به ولتاژهای ثابت و دقیق مورد نیاز مدارهای مجتمع (معمولاً $5 V$ یا $3.3 V$) تبدیل و تثبیت کنند. **ایجاد ولتاژ مرجع (Reference Voltage):** حساسترین و حیاتیترین بخش در بلوک منبع تغذیه، ایجاد **ولتاژ مرجع ($V_{REF}$)** برای مبدل ADC است. این ولتاژ در واقع استاندارد یا "ترازو"یی است که ADC برای مقایسه با ولتاژ ورودی و تبدیل آن به عدد دیجیتال از آن استفاده میکند. دقت نهایی اندازهگیری در DMM مستقیماً با پایداری $V_{REF}$ نسبت دارد. به همین دلیل، برای تولید این ولتاژ از قطعات خاصی مانند **دیودهای زنر دقیق** یا **مدارهای مجتمع مرجع ولتاژ با پایداری حرارتی بالا** استفاده میشود تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ مرجع، حتی با تغییرات دما یا افت ولتاژ باتری، در طول زمان ثابت باقی بماند. --- ### نتیجهگیری مولتیمتر به عنوان یکی از مهمترین ابزارهای اندازهگیری در مهندسی برق، مسیر طولانی از مدلهای مکانیکی اولیه تا مولتیمترهای دیجیتال و هوشمند امروزی را پیموده است. این تحول موجب افزایش دقت، سرعت، ایمنی و تنوع کاربرد آن شده است. در مولتیمترهای دیجیتال، ساختار داخلی از چند بخش کلیدی تشکیل شده است: بخش ورودی و محافظت که وظیفه جلوگیری از آسیب به مدارها و کنترل ولتاژهای بالا را دارد، مدارهای تضعیف و تقویت برای تنظیم سطح سیگنال، مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) که دادهها را به شکل قابلپردازش تبدیل میکند، واحد پردازش و نمایش برای تحلیل، کالیبراسیون و نمایش دقیق مقادیر، و در نهایت منبع تغذیه پایدار که انرژی لازم برای عملکرد همه بخشها را فراهم میکند. پیشرفتهایی مانند قابلیت True RMS، Auto Ranging، Clamp Meter و مولتیمترهای هوشمند نشان میدهد که این ابزار نهتنها از نظر سختافزاری بلکه از نظر نرمافزاری نیز به سمت دقت و کارایی بیشتر پیش میرود. به طور کلی، مولتیمتر دیجیتال ترکیبی از مهندسی دقیق، حفاظت ایمن و پردازش هوشمند است که آن را به ابزاری ضروری و قابل اعتماد در دنیای الکترونیک مدرن تبدیل کرده است --- ### منابع - Horowitz & Hill, _The Art of Electronics_ - Paul Scherz & Simon Monk, _Practical Electronics for Inventors_ - Fluke Corporation, _Digital Multimeter Application Notes_ - Keysight Technologies, _Understanding DMM Architecture_