Wir kennen digitale Multimeter als ein Gerät, dass an keinem Messplatz fehlen darf. In ihm steckt heute nicht nur jede Menge Elektronik, auch Mathematik spielt eine große Rolle. Um das Prinzip Multimeter zu verstehen und potentielle Anwendungsfehler zukünftig zu vermeiden, entwickelt ein Studierender im Rahmen seiner Tätigkeit als Studentische Hilfskraft für zukünftige Laborübungen ein modular aufgebautes Digitalmultimeter.

Ein Ziel, das mit dem Aufbau des Übungs-Multimeter verbunden ist, soll sein zu erkennen, welche Parameter entscheidend für eine genaue Messung sind. Des Weiteren ist die Funktionsweise verständlich zu machen und die entscheidenden Parameter kennen zu lernen. Darüber hinaus soll das bereits erlernte Wissen zur Fehlerbetrachtung praktisch angewandt und dessen Bedeutung verstanden werden. Elementare Zusammenhänge der Elektrotechnik sind zu erkennen und anzuwenden. Was hier auf das elektronische Messen elektrischer Signale beschränkt zu sein scheint, bildet die Grundlage des Messens nichtelektrischer Größen wie Temperatur, Druck oder Licht. Selbst Mikrosystem-Sensoren besitzen Zeitkonstanten, die beim Erfassen von Messdaten berücksichtigt werden müssen. 

Das Projekt befasst sich in erster Linie mit der Gleichspannungsmessung. Viele Multimeter verwenden heute einen sogenannten Dual- oder Quadslope-Umsetzer. Das Prinzip soll mit einem Mikrocontroller und seinen ADC-Eingängen sowie einer anschließenden Mittelung der Messwerte nachgebildet werden.

ADCs (Analog-Digital-Converter) sind Umsetzer, die einen analogen elektrischen Wert (Spannung) in ein quantisiertes, digital verarbeitbares Signal umsetzen. Dazu benötigen ADCs eine Referenzspannung, auf die die Quantisierung bezogen werden soll. ADCs messen in der Regel immer nur Gleichspannungen. Soll eine Wechselspannung gemessen werden, ist diese vorher gleichzurichten. Ist der fließende Strom zu messen, kommt ein sogenannter Shunt als Messwiderstand zum Einsatz.

Als Referenz wird eine 4,5 Volt Spannungsquelle verwendet. Aus dieser Festlegung ergibt sich auch die maximal messbare Spannung von 4,5 Volt. Da sich jede Messung später auf die Referenz bezieht, muss die Referenzspannungsquelle sehr stabil und möglichst rauscharm sein. Die Unsicherheit der Referenzspannung liegt bei +/- 0,1 Volt. Der ADC löst die zu messende Spannung mit 1024 Digits auf. Werden nur positive Spannungen gemessen, ergibt sich daraus eine Spannungsauflösung von 4,39 Millivolt. Die Messfrequenz beträgt dabei etwa 2,3 Kilohertz. 

Ein digitales Multimeter gibt nie einen einzelnen Messwert aus. Die Folge wären ständig schwankende Messwerte, die der Messgerätebediener gar nicht erfassen kann. In der Regel werden Messwerte über sogenannte Netzzyklen (NPLC) gemittelt. Ein Netzzyklus entspricht der Periodendauer der Netzfrequenz (50 Hertz). Misst das Digitalmultimeter über 10 NPLC, dann entspricht das einer Messdauer von 200 Millisekunden. Erst danach wird die Anzeige am Display aktualisiert und eine neue Messung gestartet. Eine höhere NPLC (zum Beispiel 100) verlängert die Messdauer auf 2 Sekunden, dass wiederum ein schwankendes Messsignal scheinbar stabilisiert.

Zur Bewertung eines Messsignals kann auch die Verteilung in Form eines sogenannten Histogramms herangezogen werden. Wir reden von einer Normalverteilung, entspricht das Histogramm annähernd der Gaußschen Glockenkurve. Liegt sie vor, kann man die Standardabweichung bestimmen. Variiert die gemessene Spannung stark oder läuft zum Beispiel auf den Nullpunkt zu, dann lässt sich dieses Verhalten im Histogramm deutlich erkennen. Das Standard-Digitalmultimeter im Labor Entwurf und Applikation ist mit einer Histogramm-Darstellung ausgestattet.

Sowohl die Einstellung der NPLC als auch die Bewertung der Verteilung sind in einer Software möglich, die im Rahmen des Projekts programmiert wurde. Die Verbindung zwischen dem Messmodul und Computer wird mittels USB hergestellt. In der Laborübung können Studierende jetzt hinter die Kulissen eines digitalen Multimeters blicken und die Vor- wie auch Nachteile dieser Technik entdecken.