디지털 멀티미터 정확도(accuracy)는 어떻게 결정되나?

측정의 정밀도는 측정된 값이 실제 값과 얼마나 가까운지를 결정한다. 아날로그 측정기는 full-scale을 읽을 때의 퍼센티지로 정확도가 표시된다. 측정된 값이 full scale에 가깝거나 full scale의 2/3 이상일 때 인쇄된 정확도가 의미가 있다. 읽은 값이 full scale에서 멀어질수록 그 값은 진짜 값에서 멀어질 수 있다.

예들 들어, 3% 정확도를 가진 아날로그 전압 측정기가 0-100 V 범위로 설정되었을 경우를 보자. 측정된 값은 진짜 값보다 3 V(=100 V x 0.03) 낮거나 높을 수 있다. 진짜 값이 90.0 V라면, 측정기는 87 - 93 V로 읽힐 수 있다. 혹은 읽은 것의 +/- 3.3% 일 수 있다.  같은 전압 측정기의 100 V 스케일에서 10.0 V를 측정하면 읽혀지는 값은 7 - 13 V일 수 있다. 읽은 것의 +/-30% 이다. 측정기는 기술적으로 규정(스펙) 안에 있다. 따라서, 합리적인 정확도를 유지하려면, 아날로그 측정기의 범위 선택을 full scale과 full scale의 3/2 사이로 설정한다.

 

아날로그 측정기와 비교하여, 디지털 멀티미터(DMM)는 많은 실용적 장점을 갖고 있다. 그 중 하나는 수동 범위 설정은 물론 자동 범위 설정을 제공한다는 점이다.

 

대부분의 휴대용 DMM은 "3 1/2 digit"이라 불리는 디스플레이를 갖고 있다. 오른쪽 3 개의 full numeric 문자는 0 에서 9 사이의 어떠한 값이든 표시할 수 있다. 그러나 처음(most significant) 숫자는 0아니면 1만 된다. 그래서 "1/2 digit"이라고 불린다. 이 측정기는 0 - 1999 숫자만 표시할 수 있다. 이것은 2000-count DMM 이라고도 알려져 있다. DMM의 해상도는 full conversion에서 ADC의 해상도에 달려있다. 이론적으로 2000-count 측정기는 0.05%(= (1/2000) x 100%)의 해상도를 갖는다. 그러나 실제 해상도는 least significant 숫자도 고려해야만 한다.

전형적으로 DC 전압 측정은 ADC의 full count 능력을 사용한다. 왜냐하면 신호 조건이 직선적이기 때문이다. 그것은 저항 분배기와 필터를 사용한다. 다른 기능은 범위에서 제한될 수 있거나 ADC 입력 범위를 제한해서 거친 해상도를 제공하는 신호 조건이 요구될 수 있다. 고 해상도 휴대용 DMM은 종종 4 1/2 digit 디스플레이(20000 count)를 갖고 있어서 0 - 19999 범위를 표시할 수 있다. 40000-count 측정기는 4 3/4 digit 디스플레이를 갖고 0 - 39999 범위를 측정할 수 있다.

높은 수의 count는 더 높은 해상도로 변환되고 일반적으로 고 해상도 DMM이 더 높은 정확도를 제공한다. 그러나 DMM 정확도는 또한 ADC 정확도, 부품 tolerance, 노이즈 레벨, 내부 기준의 안정성 등 디자인 요소에 의존한다. 따라서 4 1/2 digit 측정기가 3 1/2 digit 측정기보다 10배 더 정확하다고 자동적으로 가정하면 안 된다.

 

안전을 위해서 가장 높은 범위를 제일 먼저 선택한 다음 정확한 측정을 위해서 범위를 공격적으로 낮춘다. 수동 범위 변환 측정기에서 모르는 전압을 측정할 때 최대 범위를 제공하는 범위를 선택한다. 예들 들어 1.5V 배터리를 측정할 때, 1000 V 범위 측정은 "1"만 표시할 수 있다. 200 V 범위로 바꾸면 1.5 가 표시될 것이다. 20 V 범위는 1.52를 보여주고, 가장 정밀한 측정은 2 V 범위에서 1.523 V 일 수 있다.

 

DMM 제조사는 정확도 규정을 다음 포맷으로 제공한다:

Complete accuracy specifications: ±(% of reading + number of LSD)

여기서, reading  DMM이 측정한 실제 값

          LSD       least significant digit

LSD는 내부 옵셋, 노이즈, 라운딩 에러 등에 기인한 불확실의 크기를 표현한다. DMM에서 LDS 숫자는 기능에 따라, 그리고 범위에 따라 변한다. 정확도와 범위 선택은 독립적으로 고려되어야만 한다. 그렇지 않으면 오해가 에러로 이끌 수 있다. 다음 예를 보자:

3 1/2 digit 디스플레이 DMM이 1.2 V 레퍼런스의 출력을 측정했다. 실제 전압이 1.200 V라고 가정한다. DMM 매뉴얼은 dc 전압 정확도가 ±(0.5% + 2)라고 규정한다. 전압을 어떻게 측정하고 읽은 것을 어떻게 해석(interpret)할 것인가? 먼저, 측정기를 200 V 범위로 설정한다. 표시는 XXX.X 전압으로 표시될 것이다. 읽은 값의 퍼센티지는 0.006 V(= 1.2 * 0.5 / 100)이다. 소수점 이하로 하나의 숫자만 표시되므로 0.006으로 보이지 않을 것이다. 그러나, 3개의 허용되는 LSD를 고려할 때, 표시되는 마지막 숫자는 ±0.3 카운트로 변할 수 있다. 따라서 측정기는 1.2 ±0.3V 또는 0.9 - 1.5 V로 표시될 수 있다. 이것은 모든 요소가 결합된 잠재적 에러는 ±25%이고 정밀한 측정에 적합하지 않다. 20 V 범위로 바꿔 설정하면 XX.XX로 표시되어 정확도가 향상될 것이다. 전체 정확도는 ±0.036 V(=1.20 * 0.5/100 ± 0.03)이다. 따라서 읽은 값은 1.16 - 1.23 V 사이이다. 이 전체 정확도는 ±3%이다. 훨씬 좋아져다. 그러나 아직 충분하지는 않다. 마지막으로 DMM을 2 V 범위로 설정한다. 표시 형식은 X.XXX로 바뀐다. 읽은 값의 퍼센티지는 변하지 않지만, LSD는 더 작은 요소가 된다. 전체 정확도는 ±0.009 V(= 1.200 * 0.5/100 ± 0.003) 이다. 측정기는 1.191 - 1.209 V 범위의 좁은 범위만 허용한다. 이제 전체 정확도는 단지 0.75% 이다. 측정에 충분하다.

 

언제 측정기가 제조되거나 새로 캘리브레이션 되어야 하나? 대부분의 측정기 제조사와 캘리브레이션 서비스는 1년만 정확도 규정을 보증한다. 그 후에 DMM은 인쇄된 제한을 가진 정확도를 유지하지 못할 수 있다. 따라서 정확도가 보증되려면 측정기는 1년에 한 번씩 캘리브레이션 되어야 한다.

규정된 동작 온도보다 분위기 온도가 높거나 낮을 때 측정기를 사용하지 마라. 많은 고 품질 DMM 제품은 20 ~ 55 ℃ 범위에서 동작한다. 이 규정은 습도가 주로 80 ~ 90% 이하에서 유효하다. 20 ~ 55 ℃ 동작온도와 비교하여, 정확도 규정은 주로 단지 18 ~ 28 ℃ 에서만 보증된다.