Instrumentos de medida digitales
Un instrumento digital no es un instrumento analógico con pantalla de números. Adentro hay una cadena distinta, con errores distintos, y una manera propia de mentir: la de mostrar cinco dígitos firmes de un valor que no es exacto en ninguno de ellos.
01Qué cambió respecto del instrumento de aguja
En instrumentos analógicos la medición era un fenómeno físico: una corriente producía un par sobre una bobina y la aguja se quedaba donde ese par se equilibraba con el resorte. Acá la medición es un número, y todo el instrumento existe para producirlo.
| Analógico | Digital | |
|---|---|---|
| Lectura | Interpretada por el operador sobre una escala | Numérica, sin interpretación |
| Error de lectura | Paralaje, interpolación entre marcas | Ninguno: el número es el que es |
| Impedancia de entrada | 20 kΩ/V típico: carga el circuito | 10 MΩ constante en todos los rangos |
| Señales que varían | Se ve la tendencia en la aguja | Los dígitos bailan y no se entiende nada |
| Ajuste a cero | Mecánico y del óhmetro, cada vez | Automático, interno |
| Rango | Manual siempre | Autorango |
| Robustez | El movimiento se daña con un golpe | Electrónica sin partes móviles |
Ver cómo cambia una magnitud. Ajustar un preset al máximo, buscar un pico, seguir la carga de un capacitor: la aguja lo muestra de un vistazo y los dígitos no. Por eso muchos multímetros digitales de buena calidad traen un bargraph analógico debajo del número: es exactamente esa función la que se estaba perdiendo.
02Arquitectura de un instrumento digital
Todos los instrumentos digitales —multímetro, frecuencímetro, capacímetro, balanza— comparten el mismo esqueleto. Cambia el primer bloque, que es el que traduce la magnitud a una tensión.
El bloque de control mira el resultado de cada conversión. Si el número supera el fondo de escala (overflow: la pantalla muestra «1» sola o «OL»), sube de rango; si queda por debajo del 10 %, baja, y así aprovecha todos los dígitos. Es cómodo, pero tiene dos costos: tarda mientras busca, y en una señal que cambia mucho puede quedar saltando entre dos rangos. Por eso todo multímetro decente tiene una tecla RANGE para fijarlo a mano, que es lo que conviene usar cuando se está ajustando algo.
03El conversor de doble rampa
Es el corazón de casi todos los multímetros. Ya se lo nombró en conversores A/D y D/A; acá se lo ve en detalle, porque explica de dónde salen sus tres virtudes: exactitud, inmunidad al ruido de red y costo bajo.
- R y C se cancelan: sólo importan Vref y el reloj.
- El reloj se cancela también, porque los dos tiempos se miden con el mismo.
- Queda un único patrón crítico: la referencia de tensión.
La primera rampa promedia la entrada durante t1. Si t1 es un múltiplo exacto de 20 ms, cualquier interferencia de red aporta lo mismo por arriba y por abajo del cero: se cancela sola. Es lo que en las hojas de datos se llama NMR (normal mode rejection) y da 60 dB o más a 50 Hz.
Entre las dos rampas y el autocero, una medición completa lleva de 10 a 400 ms. Un multímetro típico refresca dos o tres veces por segundo, y ese es su límite físico, no una limitación del display. Para señales que cambian rápido no sirve: hay que ir al osciloscopio.
04El multímetro digital: cómo se lee su especificación
Cuentas y dígitos
Un multímetro «de 3½ dígitos» tiene tres dígitos completos (0 a 9) y uno que sólo puede valer 0 o 1: llega hasta 1999, que son 2000 cuentas. La «cuenta» es la unidad de resolución, y define cuánto vale el último dígito en cada rango.
| Dígitos | Cuentas | Máxima lectura | Resolución en 20 V | Categoría de instrumento |
|---|---|---|---|---|
| 3½ | 2000 | 1999 | 10 mV | Multímetro de bolsillo |
| 3¾ | 4000 | 3999 | 10 mV | De taller, gama media |
| 4½ | 20 000 | 19 999 | 1 mV | De banco, laboratorio |
| 6½ | 2 000 000 | 1 999 999 | 10 µV | Patrón de calibración |
Exactitud: no es lo mismo que resolución
La resolución es cuántos números puede mostrar; la exactitud, cuánto se parecen al valor verdadero. Se especifica siempre con dos términos:
Multímetro de 3½ dígitos, especificación en continua ±(0,5 % + 3 dígitos). Se mide en el rango de 20 V (resolución 10 mV) y la pantalla muestra 12,45 V.
- 0,5 % de 12,45 V = 62,3 mV
- 3 dígitos × 10 mV = 30 mV
- Error total: ±92,3 mV ≈ ±0,09 V
El valor verdadero está entre 12,36 V y 12,54 V. La pantalla muestra centésimas, pero la última cifra confiable es la de las décimas. Informar «12,45 V» sin el error es informar de más.
Ahora la misma medición en el rango de 200 V (resolución 100 mV): 0,5 % de 12,4 = 62 mV, más 3 × 100 mV = 300 mV, total ±0,36 V. Cuatro veces peor sólo por haber dejado el rango alto. Siempre el rango más bajo que no se pase.
Las cuatro trampas del multímetro digital
En alterna, casi todos los económicos rectifican y multiplican por 1,111: sólo aciertan con senoidal pura. Con la salida de un dimmer o de una fuente conmutada el error llega al 40 %. Hace falta True RMS, como se explica en mediciones en CA.
Para medir corriente el instrumento intercala un shunt. Esa resistencia deja caer tensión (burden voltage): típicamente 200 mV a fondo de escala. En un circuito de 3,3 V esa caída cambia lo que se está midiendo. Con corrientes chicas conviene usar el rango de mA, no el de 10 A, y siempre revisar el dato en el manual.
La escala de alterna suele estar especificada de 40 Hz a 400 Hz o 1 kHz. Fuera de ahí la lectura cae sin avisar. Medir la salida de un amplificador de audio a 10 kHz con un multímetro común da un número, y ese número está mal.
CAT II tomacorrientes, CAT III tableros y distribución fija, CAT IV acometida y medidor. La categoría no habla de la tensión que mide sino de la energía de un transitorio que puede aguantar sin explotar. Un instrumento CAT II en un tablero industrial es un accidente esperando pasar, y las puntas también tienen categoría.
- Continuidad con zumbador: mide sin mirar la pantalla, indispensable arriba de una escalera.
- Prueba de diodos: inyecta ~1 mA y muestra la caída directa. 0,6 V es silicio, 0,3 V germanio o Schottky, 1,8 V un LED rojo.
- HOLD: congela la lectura, para medir en un lugar donde no se ve la pantalla.
- MIN/MAX: registra extremos; sirve para cazar un pico de arranque de motor.
- REL / cero relativo: descuenta la lectura actual. Es la forma de restar la resistencia de las puntas al medir valores bajos.
- Baja impedancia (LoZ): descarga las tensiones fantasma que aparecen por acoplamiento capacitivo en cables largos y hacen creer que un conductor está vivo.
05El frecuencímetro digital
Es el caso más puro de instrumento digital: no convierte nada, cuenta. Y lo que cuenta es exactamente lo que se quiere medir.
Frecuencímetro con base de tiempo de 1 s y cristal de 10 ppm:
- Midiendo 50 Hz: N = 50, el error de conteo es 1/50 = 2 %, y el del cristal 0,001 %. Manda el conteo. Conviene medir el período.
- Midiendo 10 MHz: N = 107, el error de conteo es 0,00001 %, y el del cristal 10 ppm = 0,001 %, o sea ±100 Hz. Manda el cristal.
Por eso los frecuencímetros de laboratorio traen un oscilador compensado en temperatura (TCXO) o en horno (OCXO), y por eso los buenos tienen entrada para un patrón externo de 10 MHz.
Se invierte el papel: la señal abre la puerta y se cuentan pulsos del reloj patrón. Para 50 Hz con un reloj de 10 MHz entran 200 000 cuentas: el error de ±1 cuenta cae a 0,0005 %.
Por encima de la velocidad del contador, se divide la señal por 10, 64 o 256 antes de contarla y se compensa el resultado. Es lo que permite llegar a UHF.
Los instrumentos modernos miden siempre el período de un número entero de ciclos y calculan la frecuencia. Da resolución constante en dígitos, sin importar la frecuencia.
Antes del contador hay un Schmitt trigger que convierte cualquier forma de onda en pulsos limpios. Su histéresis es lo que evita que el ruido superpuesto haga cruzar el umbral varias veces por ciclo. Si la señal es muy chica, muy sucia o tiene componente continua, el frecuencímetro lee cualquier cosa o no lee nada: hay que acoplarla en alterna y, si hace falta, amplificarla.
06Otros instrumentos digitales del taller
| Instrumento | Qué mide y cómo | Lo que hay que mirar |
|---|---|---|
| Capacímetro | Carga el capacitor con corriente constante y mide el tiempo, o mide la frecuencia de un oscilador que lo incluye. | Los electrolíticos tienen ±20 % de tolerancia: un valor «raro» puede ser normal. No mide la resistencia serie (ESR), que es la falla más común. |
| Medidor de ESR | Inyecta una señal de ~100 kHz y mide la parte resistiva. | Es el instrumento que realmente encuentra los electrolíticos secos de una fuente conmutada, con el capacitor todavía en la plaqueta. |
| Puente LCR | Mide módulo y fase de la impedancia a una frecuencia elegida. | La frecuencia de prueba importa: una bobina no vale lo mismo a 100 Hz que a 100 kHz. Se ve en mediciones de circuitos estándares. |
| Osciloscopio digital | Muestrea y guarda; después dibuja. | Velocidad de muestreo, profundidad de memoria y ancho de banda real. Y el aliasing, que en un digital es un peligro concreto. |
| Pinza amperométrica | Mide el campo magnético alrededor del conductor con un núcleo partido o un sensor Hall. | Las de transformador sólo miden alterna; las de efecto Hall miden también continua. Hay que abrazar un solo conductor. |
| Registrador (data logger) | Un instrumento digital con memoria y reloj. | Convierte una medición en una serie temporal: es lo que permite encontrar la falla que aparece a las tres de la mañana. |
Sus dos especificaciones se confunden todo el tiempo. El ancho de banda (por ejemplo 100 MHz) es analógico: dice hasta qué frecuencia la señal llega entera al conversor. La velocidad de muestreo (por ejemplo 1 GSa/s) dice cuántas muestras por segundo toma. La regla práctica es que el muestreo sea de 5 a 10 veces el ancho de banda; si un equipo declara 100 MHz y 100 MSa/s, la cuenta no cierra y con señales rápidas va a mostrar formas que no existen.
07En el laboratorio
Medir una misma pila con todos los multímetros del taller y anotar las lecturas. Van a diferir en la última cifra o en dos. Buscar en cada manual la especificación y calcular el intervalo de error de cada uno: se verá que todos los intervalos se superponen y que ninguno contradice a los demás. Es la mejor forma de entender que un dígito más no es un valor más verdadero.
Armar un LED con su resistencia limitadora a 5 V. Medir la corriente en el rango de mA y anotar. Después medir la tensión sobre el LED con y sin el amperímetro intercalado. La diferencia es la tensión de carga del instrumento. Repetir en el rango de 10 A y comparar: el shunt es distinto.
Medir una pila con el multímetro y anotar. Después acercar el cable de las puntas a un cable de red (sin tocarlo) y volver a medir: la lectura casi no cambia, porque la doble rampa promedia. Repetir lo mismo con el osciloscopio en continua: ahí sí se ve el zumbido superpuesto. Dos instrumentos, dos respuestas distintas al mismo ruido.
Medir una señal de 50 Hz del generador con el frecuencímetro en modo frecuencia, puerta de 1 s, y anotar cuánto fluctúa el último dígito. Pasar a modo período y comparar la estabilidad. Después medir 1 MHz en los dos modos: ahí la ventaja se invierte. Armar una tabla con los cuatro casos.
Verificar la categoría del instrumento y de las puntas, que el fusible sea el original (no un alambre), que las puntas no tengan el aislante rajado y que el selector no esté en corriente cuando se va a medir tensión. Poner un multímetro en modo amperímetro sobre 220 V es un cortocircuito franco: por eso los buenos avisan con un zumbador cuando el cable está en el borne de corriente y el selector en tensión.
08Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| Dos multímetros dan valores distintos | Normal si la diferencia entra en el error de cada uno. Recién es problema si los intervalos no se superponen. |
| La lectura de alterna es 0 con una señal que existe | Frecuencia fuera del ancho de banda, o entrada acoplada en continua sobre una señal chica montada en un valor grande. |
| Mide tensión donde no hay nada conectado | Tensión fantasma por acoplamiento capacitivo en cables largos, y la entrada de 10 MΩ no la descarga. Usar el modo LoZ. |
| El circuito deja de funcionar cuando se intercala el amperímetro | Tensión de carga del shunt. Cambiar de rango o medir la caída sobre una resistencia conocida. |
| La resistencia medida es mayor que la del resistor | Se está midiendo con el circuito alimentado o con otro componente en paralelo. Y en valores bajos, la resistencia de las puntas: usar REL. |
| El display muestra «1» sola o «OL» | Fuera de rango, no falla. Subir de rango. |
| El frecuencímetro salta o lee el doble | Señal con ruido cruzando dos veces el umbral del Schmitt, o amplitud insuficiente. |
| La lectura se corre con los meses | Deriva de la referencia de tensión. El instrumento necesita calibración: es un servicio con patrón trazable, no un preset que se toca a ojo. |
| Con las pilas gastadas el aparato mide mal antes de avisar | Varios modelos pierden exactitud antes de mostrar el símbolo de batería baja. Cambiarlas ante cualquier lectura sospechosa. |
09Autoevaluación
¿Cuántas cuentas tiene un multímetro de 4½ dígitos y cuál es su máxima lectura?
20 000 cuentas, y muestra hasta 19 999. El «medio dígito» es el de la izquierda, que sólo puede valer 0 o 1.
Un multímetro de ±(0,8 % + 2 díg) en el rango de 200 V muestra 118,5 V. ¿Cuál es el error?
La resolución en 200 V con 3½ dígitos es 0,1 V. Entonces: 0,8 % de 118,5 = 0,95 V, más 2 × 0,1 = 0,2 V. Error total ±1,15 V: el valor verdadero está entre 117,4 y 119,7 V.
¿Por qué en la doble rampa no importa la tolerancia del capacitor?
Porque el mismo capacitor se usa para cargar y para descargar. En el cociente t2/t1 el producto RC se cancela, y el resultado depende sólo de la referencia de tensión.
¿Qué tiempo de integración conviene en un país con red de 50 Hz y por qué?
Un múltiplo de 20 ms (el período de la red): 20, 40, 100 ms. Así la interferencia de red se promedia a cero durante la primera rampa. En un país de 60 Hz el múltiplo es de 16,67 ms; algunos instrumentos permiten elegirlo.
¿Por qué medir 50 Hz con un frecuencímetro en modo frecuencia da mal?
Porque con puerta de 1 s se cuentan 50 pulsos y la incertidumbre de ±1 cuenta es un 2 %. Midiendo el período con un reloj patrón de 10 MHz se cuentan 200 000 pulsos y el error baja a 0,0005 %.
Un cristal de 10 ppm midiendo 10 MHz: ¿cuánto vale el error en hertz?
10 ppm = 10 × 10−6, que sobre 107 Hz da ±100 Hz. Es el piso de exactitud del instrumento: ningún truco de conteo lo mejora.
¿Qué significa que un multímetro sea CAT III 600 V?
Que está diseñado para medir en instalaciones fijas —tableros, líneas de distribución— soportando los transitorios de alta energía que ahí aparecen, hasta 600 V nominales. No es lo mismo que «mide hasta 600 V»: dos instrumentos con el mismo número de volts pueden tener categorías distintas, y ahí está la diferencia de seguridad.
¿Por qué un multímetro digital mide 12 V donde no hay nada conectado?
Por acoplamiento capacitivo entre conductores paralelos: su entrada de 10 MΩ es tan alta que no llega a descargar esa tensión inducida. La función LoZ baja la impedancia de entrada y hace desaparecer la lectura fantasma. Con un instrumento analógico el fenómeno no aparece, porque su bobina carga el circuito.
Un osciloscopio declara 100 MHz de ancho de banda y 100 MSa/s. ¿Qué se puede esperar?
Problemas. Con 100 MSa/s el límite de Nyquist son 50 MHz: una señal de 80 MHz que su entrada deja pasar aparecerá en pantalla como una frecuencia falsa. La relación sana es de 5 a 10 muestras por ciclo de la máxima frecuencia declarada.
¿Para qué sirve la función REL o cero relativo?
Para restar de todas las lecturas siguientes el valor actual. Se usa sobre todo en resistencias bajas —se cortocircuitan las puntas, se pulsa REL y así se descuenta su propia resistencia— y en capacitancias chicas, para descontar la del cable.