Aliexpressで電子工作-3　テスターの内部についてのお話

安いデジタルテスターを買ったついでにテスターの内部についての話をちょっとしてみようと思います。

一番安いテスターと言われている「DT-830B」ですが、内部はどうなっているのでしょう。

使われているICはICL7106（旧INTERSIL）相当品です。INTERSILはMAXIMが買収するとかルネサスが買収するとかいろいろな話がありますがそんなことはあまり興味がありません。MAXIM版のデータシート（ダウンロード）とRenesas版のデーターシート（表示）それにHARRIS版のデーターシート（表示）とIntersil版のデータシート（ダウンロード）、INTERSIL版のデータシート（ftp）。

このICは単なるDC200ｍVまたはDC2Vのデジタル電圧計ICです。DT-830Bでは各レンジの機能を実現するためにロータリースイッチで抵抗などを切り替えています。といっても電圧レンジや電流レンジはどんな回路か簡単に想像がつきます。

問題は抵抗レンジです。これが今日の本題。

DCV、ACV、DCAレンジはさらっと回路図だけ載せておきます。

DCVレンジは単に抵抗で分圧しているだけです。

ACVレンジはダイオードで半端整流してから抵抗で分圧しています。ダイオードのVfの影響が出るのでAC750VとAC200Vのレンジだけでそれより低い電圧のレンジはありません。（ちなみにアナログテスターの低いACVレンジはVfの影響を考慮して目盛りが等間隔ではありません。例えばこのようなテスターの場合はAC2.5Vレンジが別目盛りになっていて低いほうで目盛りが詰まっています）

DCAレンジは抵抗で分流しているだけです。10Aレンジの分流器は太い銅線のようなものを使っているみたいです。

さて、本題の抵抗レンジです。

どんな回路になるかちょっと考えてみましょう。

• 被測定抵抗（Rx）に流れる電流はRxの抵抗値に反比例する。

実際にはテスター内部の抵抗も加わりますが、アナログテスターでは抵抗レンジ専用の目盛りになっています。（sanwaのテスターの目盛りの例）

デジタルテスターでは目盛りを書き換えるなんてことはできませんね。ということでこの方式はデジタルテスターではボツです。

• Rxに定電流を流してその両端の電圧を測る

Rxに1mA流れるような定電流回路があればRxの両端の電圧は200Ωで200mVとなり電圧は抵抗値に比例します。うまくいきそうですね。ただし、200、2k、20k、200k、2M、20MΩ各レンジ用に1mA、100μA、10μA、1μA、0.1μA、0.01μAと6つも定電流回路を用意しなければなりません。

格安デジタルテスターにはそんな贅沢はできません。

• ICL7106の動作原理をうまく利用する

特に定電圧や定電流になっている様子はないですね。これで抵抗が測れるのでしょうか？

 

もう少しわかりやすく書き直してみました。

このICL7106はIC内で2.8ボルトの基準電圧を作ってVcc-COM間に出力しているので、定電圧源は使えますね。というかこの回路では使っています。

ただ、それでもいくつかの抵抗を通して被測定抵抗に電流を流しているだけですので定電流にはなりません。

表計算ソフトを使って被測定抵抗（Rx）に流れる電流がどんな感じになっているか見てみましょう。
（このグラフでは2kオームレンジで0～2000Ωの抵抗をつないだ時を計算しています。）

やはり一定ではないですね。

ついでにRxの両端に発生する電圧も見てみましょう。

0から始まって右肩上がりにはなっていますが、一目見て直線ではないということがわかります。

こんなんでちゃんとした抵抗が測れるのでしょうか？

もう一度抵抗レンジの回路を見てみましょう。

被測定抵抗Rxに流れる電流は抵抗レンジを決める抵抗R-Rangeにも流れています。そしてこの両端の電圧はRef+ Ref-に入力されています。

ここがミソなんです。

ICL7106というICは電圧測定の時はこのRef+ Ref-に固定の基準電圧を入力するようになっています。

例えば基準電圧が100mVの場合は測定端子V+ V-間の電圧が100mVの時1000カウントして表示するようになっています。つまりフルスケールで1999mVとなります。

測定端子の電圧をVin、基準電圧の入力をVref、表示される最大1999のカウントをCountとすると

Count = Vin / Vref * 1000

となるわけです。

レンジ決定抵抗R-Rangeは一定でそこに流れる電流は被測定抵抗に流れる電流と同一（IR-Range = IRx）ですので、Vrefは

Vref = IRx * R-Range

となり

測定端子電圧Vinは

Vin = IRx * Rx

となるため

Count = Vin / Vref * 1000　から

Count = (IRx * Rx) / (IRx * R-Range) * 1000

= Rx / R-Range * 1000　となり

抵抗レンジの表示はきちんと被測定抵抗Rxに比例することになるのです。（めでたしめでたし）

この回路はICメーカーが考えたのでしょうか？それともテスターを作るメーカーが抵抗レンジを実現するために考えたのでしょうか？どちらにしてもなかなかよく工夫された回路ですね。

それでは、また面白い回路があったら検証してみましょう。

2018/12/17 追記

この回路のヒントはIntersilのアプリケーションノートAN052に記述されていました。

Ratiometric Operation（比例動作）というそうです。

詳しくはアプリケーションノートAN052を参照してください。