С течением времени и развитием технологий многое меняется. Появляются новые приборы и инструменты, приходя на место старых. Падает производство и выход печатных изданий. Нигде уже не встретите магнитофонов, видеокассеты уступили место DVD и Blue-Ray дискам. Нет больше пейджеров, мало кто пользуется стационарными телефонами, поскольку есть мобильные. Так получилось и со стрелочными тестерами (мультиметрами), которые почти везде были заменены на удобные цифровые тестеры.

Причина понятна - цифровые приборы обладают бесспорными преимуществами. Как и традиционные стрелочные тестеры, цифровые мультиметры имеют точно такие же размеры и тоже питаются от батареек, но при этом имеют выгодное сочетание удобства, высокой точности и многофункциональности при невысокой цене. Поэтому нет ничего удивительного в том, что цифровые мультиметры заняли прочное место на столе как радиолюбителя, так и инженера. Однако стрелочные тестеры не спешат совсем уходить со сцены, и опытные специалисты знают, что в некоторых случаях простой стрелочный прибор незаменим. Почему так происходит, чем же таким особенным отличаются стрелочные тестеры от цифровых?

Причина разницы между стрелочным прибором и цифровым кроется в их внутреннем устройстве. Если кратко, то стрелочный прибор работает как идеальный интегратор, имеющий огромный динамический диапазон и наглядное представление результата измерения. Цифровой прибор имеет ограниченный динамический диапазон, задержку измерения и порог срабатывания, из-за чего некоторые виды сигналов не могут быть замечены цифровым прибором и его пользователем. Причина проста - в каждом цифровом мультиметре имеется АЦП и блок обработки результата, которые имеют заранее заданные ограничения - в разрядности оцифровки сигнала (разрядность всегда ограничена) и во времени обработки для представления результата в наглядном виде. Ограниченная разрядность приводит к снижению динамического диапазона, с которым работает прибор, а обработка результата приводит к задержкам в работе прибора. Конечно же, параметры цифровых приборов постоянно улучшаются - растет разрядность, быстродействие, уменьшается время отклика, но все равно они никогда не смогут сравниться со стрелочными приборами, которые имеют в основе аналоговую природу.

[Цифровые и стрелочные мультиметры]

Стрелочные измерительные приборы появились гораздо раньше цифровых, и имеют богатую историю развития. Устроены они довольно просто, самый главный узел в этих приборах - электромеханическая стрелочная головка, на которую через набор резисторных делителей подается электрический ток. Этот ток протекает по рамке из витков провода, находящейся в магнитном поле. Рамка подвешена на пружинящих волосках, и в зависимости от силы тока в рамке стрелка отклоняется на разный угол, показывая измеренное значение величины на дуговой шкале.

Схема стрелочного мультиметра состоит из набора коммутируемых резисторов и шунтов, и пары выпрямительных диодов. Ниже в качестве примера приведена схема типичного аналогового мультиметра Ц4312.

Цифровой мультиметр устроен намного сложнее. Ниже на рисунке приведена общая структурная схема цифрового мультиметра.

Пояснения к схеме:

SENSE HIGH, SENSE LOW - гнезда входов с высокой и низкой чувствительностью соответственно.
COM - общее входное гнездо.
I - входное гнездо для измерения тока.
PGA - Programmable Gain Amplifier, усилитель с программируемым коэффициентом усиления.
MUX - мультиплексор.
COMP - компаратор.
ADC - Analog-to-Digital Converter, АЦП, аналого-цифровой преобразователь.
DAC - Digital-to-Analog Converter, ЦАП, цифро-аналоговый преобразователь.
USB - коннектор подключения к компьютеру для обработки измерений (наличие этого коннектора необязательно).

Несмотря на большую сложность цифровых мультиметров они все равно недороги благодаря массовому выпуску и широкому применению специализированных интегральных микросхем. На фото ниже показаны два типичных представителя класса стрелочных и цифровых мультиметров. Это два моих прибора MASTECH MS7040 и MASTECH MS8222H, которыми постоянно пользуюсь и очень ими доволен.

Для начала стоит рассмотреть достоинства цифровых мультиметров по сравнению со стрелочными, именно ими объясняется популярность цифровых приборов.

• Точность измерения. Цифровые тестеры позволяют точнее и нагляднее получить результаты измерения. Результат считывается в цифровом виде, и его значение сразу понятно. В стрелочных тестерах считывание результата не очень удобно, потому что нужно смотреть на нужную шкалу прибора, соответствующую выбранному диапазону, и по количеству делений вычислять показания. На точность считывания в стрелочном приборе влияет также параллакс и направление взгляда пользователя (для устранения параллакса в стрелочных приборах делают зеркальный сектор, показывающий отражение стрелки). Еще один недостаток стрелочных приборов - точность показаний зависит от положения корпуса прибора относительно направления к земле (это связано с балансировкой рамки по массе). Также показания стрелочных приборов зависят от силы и направления внешнего постоянного магнитного поля (например магнитное поле Земли на показания стрелочного тестера не оказывает заметного влияния, однако оно есть). У цифровых приборов нет таких проблем.
• Полярность приложенного сигнала. Для цифровых тестеров не имеет значения полярность подключения щупов прибора, значение напряжения (или тока) все равно будет правильно измерено и отображено на дисплее (просто при обратной полярности будет высвечен знак минус). У стрелочных тестеров все наоборот - для них полярность исключительно важна, потому что в противном случае прибор ничего не покажет - стрелка отклонится в обратном направлении, и упрется в ограничитель шкалы.
• Автоматический выбор диапазона. Многие современные цифровые тестеры имеют автоматический выбор диапазона измерения, чего обычно лишены стрелочные приборы.
• Функциональность. Цифровые мультиметры умеют многое, чего лишены стрелочные приборы. Цифровой тестер часто может измерять емкость конденсаторов, значение индуктивностей, иногда частоту сигнала, температуру и другие параметры. Можно измерять дельту параметра, процентное соотношение между измеренными значениями. Стрелочные тестеры тут по большому счету ни в чем не виноваты. Они тоже могли бы измерять все это, просто стрелочных приборов с такими функциями никто не выпускает.
• Чувствительность, влияние на объект измерения. Благодаря наличию электронных усилителей в цифровом приборе он может лучше измерять слабые сигналы, и меньше влияет на ту схему, к которой подключен. В случае измерения напряжения прибор имеет очень большое входное сопротивление, а в случае измерения тока - очень маленькое, и это все при сохранении высокой точности измерения.
• Линейность шкалы. Стрелочные приборы имеют линейную шкалу только на измерении постоянных токов и напряжений. Другие режимы (измерение сопротивления, переменного тока и напряжения) в стрелочном приборе имеют нелинейные шкалы, что дополнительно снижает точность измерения и вызывает неудобства. С цифровыми мультиметрами такой проблемы нет вообще, потому что у них не только нет стрелочной шкалы, но и значение измеренной величины напрямую считывается с цифрового индикатора.
• Подстройка нуля. Цифровые приборы обычно не требуют настройки нуля - ни для вольтметра и амперметра, ни для измерения сопротивлений. Стрелочным приборам нужна подстройка нуля. Первая подстройка нуля для левого положения стрелки на шкале, она связана с балансировкой рамки и пружины электромеханической измерительной головки. Эта регулировка делается поворотом юстировочного шлица на передней панели прибора. Вторая подстройка нуля у стрелочных приборов нужна для измерения сопротивления. Правое положение стрелки омметра выставляется в ноль поворотом ручки специального регулировочного резистора. Такую регулировку требуется повторять по мере разряда внутренней батареи питания, и даже при переключении предела измерения сопротивлений.
• Зависимость показаний от состояния батареи. Современные цифровые приборы точно работают независимо от степени разряда батареи. Пока не высветился индикатор, сигнализирующий о необходимости замены батареи, можно быть уверенным в точности показаний. Со стрелочным прибором немного по-другому - точность показаний омметра зависит от того, настроили ли Вы нуль при замкнутых щупах специальным регулировочным резистором. По мере разряда батареи этот нуль плывет, и постоянно нужно помнить о необходимости проверки настройки нуля. С цифровым прибором все проще - он либо работает точно, и Вы об этом знаете, либо он не работает или говорит Вам о том, что пора заменить батарею, иначе точность не гарантируется.
• Стойкость к механическим повреждениям, вибрации. Из-за конструкции чувствительной рамки стрелочные тестеры не выносят сильных вибраций и резких ударов. На многих точных тестерах рамка подвешена на платиновых волосках, которые из-за больших механических нагрузок могут порваться. Цифровые тестеры при качественном исполнении гораздо меньше боятся тряски и ударов.

[Чем стрелочные приборы лучше цифровых]

Итак, недостатки стрелочных тестеров понятны. А какие у них есть преимущества? То, что они теплые, ламповые, и навевают ностальгические воспоминания, принимать во внимание не будем =).

• Потребление энергии. Стрелочные тестеры в режиме измерения напряжения и тока обычно не требуют потребления энергии от встроенного источника питания. Т. е. в этих режимах внутренняя батарея у стрелочных приборов не разряжается. К примеру, Вы можете оставить стрелочный прибор в режиме измерения напряжения на неограниченное время, он всегда будет работать, пока действуют законы физики, и можно не опасаться, что батарейка в нем разрядится (конечно, старение батареи и её саморазряд имеет место, но мы сейчас не об этом). С цифровым мультиметром все не так - в любом режиме электронные схемы в этом приборе требуют энергии, так что оставить постоянно включенным прибор нельзя, иначе батарея быстро разрядится. Именно поэтому почти во всех цифровых мультиметрах есть функция автоотключения, если прибором длительное время не пользовались. В некоторых цифровых приборах даже отсутствует кнопка выключения, потому что прибор выключается сам. Поскольку современные цифровые мультиметры потребляют довольно мало энергии, то это преимущество стрелочных приборов незначительное.
• Стрелочные приборы аналоговые. Стрелочные тестеры по своей природе аналоговые, у них нет схем цифровой обработки сигнала, и стрелочный механизм инерционен. Поэтому стрелочные приборы - отличные интеграторы величины измеряемого сигнала, и идеально показывают его динамику. Т. е. стрелочный тестер мгновенно покажет изменение сигнала, ему не требуется время на оцифровку напряжения (или тока) и вывод результата. Также отображение изменения сигнала (именно изменения сигнала, а не его значения) стрелочным прибором максимально наглядное. Т. е. мы постоянно видим, что происходит со стрелкой, и нам видна динамика измеряемого сигнала, а в случае цифрового тестера мы не видим сигнал, пока он оцифровывается и преобразуется для вывода на индикатор. Исключение составляют цифровые тестеры с совмещенным стрелочным индикатором, или стрелочный тестер с совмещенным цифровым индикатором, но такие приборы редки. Именно благодаря этому свойству стрелочных тестеров они до сих пор пользуются популярностью у мастеров.
• Показания прибора в условиях помех. Еще одно важное достоинство стрелочных мультиметров - благодаря своей инерционности при измерении постоянных напряжений и величин сопротивлений они нечувствительны к помехам, которые будут прикладываться к измерительным щупам. К примеру, если в измеряемом постоянном напряжении будут пульсации, то показания цифрового прибора будут неустойчивые, и будут зависеть от характера и частоты помех. Стрелочный прибор будет гораздо увереннее выдавать нужные результаты, он благодаря инерции стрелочного механизма просто автоматически будет усреднять (интегрировать результаты измерения).
• Боковое зрение. Показания стрелочного прибора очень удобно оценивать боковым зрением. К примеру, если стрелка прибора отклонилась, то Вы сразу это увидите, необязательно даже переводить на неё взгляд.

Стрелочные приборы также могут делать кое-что, что не могут (или могут, но по-другому) цифровые приборы:

• Можно оценивать емкость электролитических конденсаторов по углу отклонения стрелки от тока заряда - именно потому, что хорошо интегрируют измеряемый сигнал, и показывают его динамику в реальном времени. Этого не могут делать цифровые мультиметры.
• Можно проверять исправность полевых и биполярных транзисторов (надо конечно знать как, и иметь представление о принципах работы транзисторов).
• Можно использовать стрелочный прибор как измеритель напряженности высокочастотного переменного поля.

Казалось бы, все эти преимущества стрелочных приборов незначительны, и не объясняют того факта, почему стрелочные тестеры до сих пор не сошли со сцены. И действительно - человеку, кто изначально пользовался только цифровыми приборами, эти преимущества стрелочного тестера будут непонятны, пока он сам не попробует пользоваться стрелочным прибором.

[Ссылки]

1. Руководство: как пользоваться мультиметром.