Как пользоваться мультиметром: напряжение, ток, сопротивление, прозвонка

Короткий ответ на вопрос как пользоваться мультиметром такой: чёрный щуп всегда вставляется в гнездо COM, красный — в гнездо, подходящее для измеряемой величины, поворотный переключатель ставится на нужный диапазон, а щупы подключаются параллельно детали, чтобы измерить напряжение, и последовательно с цепью, чтобы измерить ток. Мультиметр измеряет напряжение (вольты), ток (амперы) и сопротивление (омы) одним прибором, и это первый инструмент, который стоит купить каждому, кто начинает заниматься электроникой. Когда схема на Arduino, ESP32 или Raspberry Pi Pico ведёт себя не так, как ожидается, только измерения покажут, где проблема: в коде или в проводах.

В этом руководстве ты познакомишься с диапазонами и гнёздами мультиметра и пошагово узнаешь, как измерять постоянное (DC) и переменное (AC) напряжение, как включать прибор последовательно, чтобы измерить ток, и зачем нужно гнездо 10A, как измерять сопротивление и делать прозвонку (со звуковым сигналом), как проверять диоды и транзисторы. Затем разберём, как находить мультиметром самые частые неисправности в проектах на Arduino — оборванный провод-перемычку, плохой контакт в макетной плате или подсевшую батарейку, — а также короткие скетчи для проверки пинов и правила безопасности, которые защищают и тебя, и прибор.

Что такое мультиметр и что он измеряет?

Как видно из названия, мультиметр объединяет в одном корпусе несколько измерительных приборов: вольтметр, амперметр и омметр. Почти все мультиметры, которыми пользуются сегодня, цифровые; стрелочные аналоговые приборы до сих пор любят за то, что на них удобно следить за медленно меняющимися значениями, но новичку цифровой мультиметр читать проще. Разрешение цифрового прибора описывают в отсчётах (counts): прибор на 2000 отсчётов (3½ разряда) может показать не больше 1999, а модель на 6000 отсчётов — до 5999. На практике разница такая: прибор на 2000 отсчётов покажет 5 V на диапазоне 20 V как 5,00 V, а прибор на 6000 отсчётов на диапазоне 6 V — как 5,000 V. Величины, которые можно измерить, обозначены символами на передней панели:

Гнёзда, кнопки и выбор диапазона

На мультиметре с ручным выбором диапазона вокруг поворотного переключателя ты увидишь значения вроде 200m, 2, 20, 200 и 600; каждое из них — наибольшее значение, которое можно измерить на этом диапазоне. Правило простое: выбирай наименьший диапазон, который больше ожидаемого значения. Для линии 5 V на Arduino подходит 20 V, для батарейки AA — 2 V (2000m), для тока светодиода 10 mA — 20 mA, для резистора 10 kΩ — 20k. Если вообще непонятно, какое значение ожидать, начинай с самого большого диапазона и спускайся вниз по шагам. Если слева на дисплее видна одинокая 1 (на моделях с автовыбором — OL), значение вышло за пределы диапазона; переключись на диапазон выше. Мультиметры с автовыбором диапазона (auto-range) находят нужный диапазон сами, а тебе остаётся выбрать только V, A или Ω; плата за это — при изменении значения показание устанавливается примерно полсекунды.

Измерение постоянного напряжения мультиметром

1. Вставь чёрный щуп в гнездо COM, а красный — в гнездо VΩ.
2. Поверни переключатель в сектор V⎓ (постоянное напряжение); на модели с ручным выбором поставь первый диапазон выше ожидаемого значения.
3. Подай питание на схему: напряжение можно измерить только в работающей схеме.
4. Коснись чёрным щупом точки GND схемы или закрепи его там проводом с «крокодилом».
5. Коснись красным щупом точки, которую хочешь измерить. Щуп подключается параллельно детали, поэтому размыкать цепь не нужно.
6. Считай значение. Знак минуса впереди означает, что щупы перепутаны местами; при постоянном напряжении это безвредно и просто показывает полярность.

Читая эту таблицу, держи в голове несколько тонкостей. На Pico нормально, что VSYS показывает около 4,7 V, а не 5 V: VBUS от USB проходит через диод Шоттки. На Uno VIN примерно на 0,7–1 V ниже напряжения адаптера — столько падает на защитном диоде между ними. При измерении сигнала PWM мультиметр показывает среднее значение: на пине Uno, которым управляет analogWrite(127), ты увидишь около 2,5 V, потому что половину времени на пине 5 V, а другую половину — 0 V. И наконец, входное сопротивление мультиметра не бесконечно: у большинства цифровых моделей оно 10 MΩ, а у самых дешёвых приборов типа DT830 — около 1 MΩ. В средней точке схемы, которая делит 5 V двумя резисторами по 1 MΩ, ожидаешь 2,5 V, но прибор с 10 MΩ покажет около 2,38 V, а прибор с 1 MΩ — 1,67 V. С высокоомными делителями напряжения само измерение меняет схему, которую ты измеряешь.

Измерение переменного напряжения и предупреждение о сети

Переменное (AC) напряжение меняет направление десятки раз в секунду; в розетках Европы и Турции 230 V при частоте 50 Hz (в Северной Америке 120 V при 60 Hz). Если перевести мультиметр в режим V~, дисплей покажет RMS (действующее, среднеквадратичное) значение волны; амплитуда сети 230 V на самом деле около 325 V. В проектах на Arduino измерять переменное напряжение чаще всего нужно, чтобы проверить выход трансформатора: трансформатор на 12 V без нагрузки обычно показывает 13–14 V, а под нагрузкой опускается к номинальному значению. Дешёвые мультиметры правильно измеряют только чистую синусоиду; если измерять выход диммера или драйвера мотора прибором, в названии которого нет True RMS, результаты будут обманчивыми. Для измерения постоянных импульсов вроде PWM используй режим постоянного напряжения (DC), а не AC.

Измерение тока мультиметром: последовательное подключение и гнездо 10A

Именно при измерении тока с мультиметром ошибаются чаще всего, ведь логика здесь прямо противоположна измерению напряжения. Амперметр — прибор, через который должен протекать ток: цепь размыкается в одной точке, и мультиметр включается в этот разрыв последовательно. На диапазоне тока внутри прибора почти короткое замыкание: там стоит резистор очень малого сопротивления (шунт), по которому прибор и измеряет ток. Этот резистор тоже вносит в цепь небольшое падение напряжения: у типичного прибора на 2000 отсчётов около 200 mV в конце шкалы. Например, в цепи из 5 V, 220 Ω и красного светодиода расчётный ток равен (5 − 2) / 220 ≈ 13,6 mA; добавь шунт диапазона 20 mA примерно на 10 Ω — и на дисплее будет около 13 mA. Если знать об этой небольшой разнице, сравнение измерения с расчётом по закону Ома не собьёт с толку.

1. Отключи питание схемы.
2. Переставь красный щуп в гнездо mA (в гнездо 10A, если ток может превысить 200 mA); чёрный щуп остаётся в COM.
3. Поверни переключатель на подходящий диапазон в секторе A⎓; если есть сомнения, начни с 10A.
4. Разомкни цепь в одной точке: например, вынь перемычку между пином Arduino и резистором светодиода.
5. Коснись красным щупом стороны, откуда приходит ток (пина), а чёрным — стороны, куда он уходит (резистора); теперь ток течёт через прибор.
6. Включи питание и считай значение. После измерения сразу верни красный щуп в гнездо VΩ.

Несколько опорных значений помогут истолковать показания: Arduino Uno с питанием от USB сама по себе потребляет около 40–50 mA, а Raspberry Pi Pico — 20–25 mA. ESP32 с включённым Wi-Fi в среднем берёт 80–150 mA, но во время передачи даёт короткие пики выше 200 mA; мультиметр не успевает поймать эти миллисекундные пики и показывает только среднее. Если для измерения тока в режиме сна переключиться на диапазон µA, сопротивление шунта вырастает до сотен ом; в момент пробуждения платы на этом сопротивлении падает напряжение, и плата может перезагрузиться. Чтобы этого избежать, замкни оба вывода прибора перемычкой, пока плата запускается, и убери перемычку, когда она уснёт. Если в режиме тока прибор всегда показывает 0 даже в работающей схеме, возможно, сгорел предохранитель: вынь его и проверь в режиме прозвонки; если сигнала нет, замени.

Измерение сопротивления мультиметром

Чтобы измерить сопротивление, мультиметр пропускает через щупы небольшой ток и по возникающему напряжению вычисляет сопротивление. Поэтому первое правило: схема должна быть обесточена. Сопротивление, измеренное в схеме под напряжением, неверно, к тому же так можно повредить омметрическую часть прибора. Второе правило — по возможности вынуть деталь из схемы: если измерять резистор, который остался подключённым, в измерение попадут и другие пути, параллельные ему, и значение получится меньше. Не держи пальцами металлические наконечники обоих щупов: сопротивление тела — от сотен kΩ до нескольких MΩ — занижает показания, особенно для значений выше 100 kΩ. Перед измерением очень малых сопротивлений замкни щупы друг на друга: 0,2–0,5 Ω на дисплее — это сопротивление проводов щупов, вычти его из результата или обнули кнопкой REL. Чтобы сравнить показание с цветными полосками на корпусе, можно воспользоваться утилитой цветовой код резисторов.

Прозвонка (проверка со звуковым сигналом)

Прозвонка звуком сообщает, есть ли электрическая связь между двумя точками: если сопротивление ниже определённого порога, мультиметр пищит. Порог зависит от модели и у большинства портативных приборов составляет несколько десятков ом. Так можно быстро проверить десятки соединений, не глядя на дисплей и не отводя глаз от схемы. Режим обозначен символом звуковой волны; на многих приборах он стоит в одном положении переключателя с режимом проверки диодов, а переход между ними — кнопкой SELECT. Самые частые применения в проектах на Arduino: найти перемычку, оборванную внутри, проверить, не разделена ли шина питания макетной платы посередине, убедиться в надёжности паяного соединения, выяснить, какие ножки 4-выводной кнопки соединены внутри, и удостовериться, что между 5V и GND нет короткого замыкания. Как и измерение сопротивления, прозвонку делают только на обесточенной схеме.

Проверка диодов и транзисторов

В режиме проверки диодов мультиметр пропускает через щупы небольшой ток около 1 mA и показывает не омы, а прямое напряжение на детали (например, 0,580 V или 580 mV в зависимости от модели). Когда красный щуп на аноде, а чёрный — на катоде (конце с полоской), исправный кремниевый диод показывает 0,5–0,7 V, а диод Шоттки — 0,15–0,35 V; в обратном направлении на дисплее должно быть OL или 1. Значение около нуля в обоих направлениях означает, что диод пробит (короткое замыкание), а OL в обоих направлениях — что внутри обрыв. Этот режим идеально подходит и для светодиода: красный светодиод показывает около 1,6–1,9 V и часто слабо загорается, так что сразу выясняется и его исправность, и где какая ножка. У синих и белых светодиодов прямое напряжение выше, поэтому некоторые мультиметры не могут их зажечь и показывают OL; это не значит, что светодиод неисправен. Подробнее — в статье Что такое диод?

С точки зрения измерений транзистор ведёт себя как два диода, включённых встречно. У NPN-транзистора поставь красный щуп на базу и коснись чёрным двух других ножек — на обоих переходах будет 0,5–0,8 V; у PNP тот же результат получается, когда на базе чёрный щуп. Значение база–эмиттер обычно на несколько милливольт больше, чем база–коллектор, и по этому можно отличить эмиттер. Если у мультиметра есть гнездо hFE, можно ещё и прочитать коэффициент усиления, вставив транзистор в отверстия для нужного типа (NPN или PNP); для BC547 нормальны значения от 110 до 800 в зависимости от группы усиления. Порядок выводов можно проверить в утилите распиновка транзисторов, а статья Что такое транзистор? пошагово объясняет, как найти выводы.

Поиск неисправностей в схеме на Arduino с помощью мультиметра

Вместо того чтобы наугад менять провода в неработающей схеме, действуй системно: закрепи чёрный щуп на GND платы и шаг за шагом прослеживай напряжение от источника к нагрузке. Сначала измерь выход источника питания, затем пин 5V или 3.3V платы, потом шину питания макетной платы и в конце вывод VCC датчика или модуля. Первая точка, где напряжение пропадает или заметно падает, — это соединение прямо перед неисправностью. Второй действенный метод — измерение падения напряжения: при работающей схеме коснись щупами обоих концов одного и того же провода. На исправном проводе или контакте должно быть почти 0 V; всё, что выше 0,1 V, означает сопротивление в этом соединении, то есть плохой контакт. Вот три самые частые неисправности в проектах на Arduino:

• Оборванный провод-перемычка: если датчик то работает, то отключается, стоит коснуться провода, первый подозреваемый — перемычка. Тонкие жилки дешёвых проводов ломаются внутри пластиковой изоляции или там, где обжат металлический штырёк на конце, и снаружи никаких следов не видно. Вынь провод из схемы, переведи мультиметр в режим прозвонки и коснись щупами обоих концов; удерживая щупы, сгибай и шевели провод. Если сигнал то пропадает, то появляется или в режиме сопротивления значение прыгает выше 1 Ω, выбрось этот провод. Несколько минут на такую проверку новой пачки проводов перед использованием избавят от многочасовых поисков ошибки в коде.
• Контакт в макетной плате и разделённая шина питания: если светодиод или модуль вообще не реагирует, проследи напряжение по макетной плате при работающей схеме. Если на пине 5V Arduino есть 5 V, а на шине макетной платы 0 V, значит, провод или отверстие между ними не дают контакта. На некоторых длинных макетных платах на 830 точек шины питания разделены посередине; признак этого — разрыв в красной и синей линиях. Убедиться можно прозвонкой между двумя половинами шины, а при необходимости соединить их короткой перемычкой. Часто встречаются и ослабшие пружинные контакты: ножка может выглядеть вставленной в отверстие, но не сидеть в контакте, поэтому касайся щупом самой ножки, а не отверстия. Подробнее — в статье Что такое макетная плата?
• Подсевшая батарейка: если проект на батарейках через какое-то время сам перезагружается, дисплей гаснет при запуске мотора или сервопривод дёргается, значит, батарейка садится. Ловушка здесь — измерять батарейку без нагрузки: подсевшая «крона» на 9 V без нагрузки может показывать 8,5 V, а под нагрузкой проседать до 6 V. Измеряй напряжение при работающей схеме, лучше всего в момент, когда двигается мотор или сервопривод. Если Uno питается через VIN или разъём DC, то при падении этого напряжения ниже 7 V стабилизатор на плате уже не удержит 5 V. К тому же батарейка на 9 V — плохой выбор для Arduino: при ёмкости около 500 mAh она питает Uno, потребляющую 50 mA, всего 8–10 часов. Как выбрать подходящую батарею, читай в статье питание Arduino от батареек.

Скетч Arduino для проверки пинов мультиметром

Самый надёжный способ узнать, не повреждён ли пин, — перевести его в известное состояние и измерить. Скетч ниже по очереди переводит пины 2–19 Arduino Uno в HIGH на четыре секунды каждый (A0–A5 как цифровые пины имеют номера 14–19) и выводит в монитор порта, какой пин сейчас активен. Пины 0 и 1 пропущены, потому что они заняты последовательным интерфейсом. Закрепи чёрный щуп на GND, открой монитор порта на скорости 9600 бод и касайся красным щупом того пина, номер которого выведен.

1// Pin testi: pinleri sırayla HIGH yapar / Pin test: sets the pins HIGH one by one
2// Siyah prob GND'de, kırmızı prob yazan pinde / Black probe on GND, red probe on the printed pin
3const int FIRST_PIN = 2;               // 0 ve 1 seri port için boş / 0 and 1 stay free for Serial
4const int LAST_PIN = 19;               // A0-A5 dijitalde 14-19 / A0-A5 are 14-19 as digital pins
5const unsigned long STEP_MS = 4000;    // her pinde bekleme / time on each pin
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  for (int pin = FIRST_PIN; pin <= LAST_PIN; pin++) {
10    pinMode(pin, OUTPUT);
11    digitalWrite(pin, LOW);            // hepsi 0 V başlar / all start at 0 V
12  }
13  Serial.println(F("Pin testi / Pin test"));
14}
15
16void loop() {
17  for (int pin = FIRST_PIN; pin <= LAST_PIN; pin++) {
18    digitalWrite(pin, HIGH);           // yalnız bu pin 5 V / only this pin at 5 V
19    Serial.print(F("Pin "));
20    Serial.print(pin);
21    Serial.println(F(": HIGH -> ~5 V"));
22    delay(STEP_MS);
23    digitalWrite(pin, LOW);            // tekrar 0 V / back to 0 V
24  }
25}

На исправном пине без нагрузки должно быть почти то же напряжение, что и на пине 5V (4,8–5,0 V), а когда скетч переходит к следующему пину — 0 V. Если в состоянии HIGH пин показывает 0 V или неустойчивое значение от 1 до 3 V, скорее всего, он повреждён перегрузкой по току; перенеси проект на другой пин. На пине 13 ещё и загорится светодиод L на плате. Тот же способ подходит для ESP32 и Pico; на этих платах HIGH — это 3,3 V.

Мультиметр пригодится и для калибровки измерений, которые ты делаешь с помощью Arduino. Аналоговые измерения Uno используют линию 5V как опорное напряжение, поэтому когда напряжение USB падает до 4,8 V, все результаты смещаются примерно на 4%. Скетч ниже измеряет напряжение питания с помощью встроенного опорного напряжения микросхемы 1,1 V и по этому реальному значению вычисляет напряжение батарейки, подключённой к A0. Встроенное опорное напряжение от микросхемы к микросхеме может отличаться в пределах 1,0–1,2 V; измерь пин 5V мультиметром, сравни с тем, что показывает скетч, и поправь INTERNAL_REF (если мультиметр показывает 4,95 V, а скетч — 5,05 V, впиши 1.1 × 4.95 / 5.05 ≈ 1.078). На A0 можно подавать не больше 5 V; чтобы измерить батарейку на 9 V, сначала понизь напряжение делителем напряжения.

1// Pil ölçer: 5V hattını dahili 1,1 V referansla ölçer / Battery meter: measures the 5V rail with the internal 1.1 V reference
2// Pil (+) -> A0, pil (-) -> GND, en fazla 5 V / Battery (+) -> A0, (-) -> GND, 5 V max
3const float INTERNAL_REF = 1.1;        // multimetreyle düzelt / correct it with your multimeter
4
5float readVcc() {
6  // Giriş: 1,1 V bandgap, referans: AVcc / Input: 1.1 V bandgap, reference: AVcc
7  ADMUX = _BV(REFS0) | _BV(MUX3) | _BV(MUX2) | _BV(MUX1);
8  delay(2);                            // referans otursun / let the reference settle
9  ADCSRA |= _BV(ADSC);                 // dönüşümü başlat / start the conversion
10  while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));    // bitmesini bekle / wait until it finishes
11  return INTERNAL_REF * 1023.0 / ADC;  // gerçek 5V hattı / real 5V rail
12}
13
14void setup() {
15  Serial.begin(9600);
16}
17
18void loop() {
19  float vcc = readVcc();
20  analogRead(A0);                      // kanal değişti, ilk okumayı at / channel changed, discard first reading
21  float vbat = analogRead(A0) * vcc / 1023.0;
22  Serial.print(F("5V: "));
23  Serial.print(vcc, 2);
24  Serial.print(F(" V   Pil / Battery: "));
25  Serial.print(vbat, 2);
26  Serial.println(F(" V"));
27  delay(1000);
28}

Измерения с ESP32 и Raspberry Pi Pico

На платах с питанием 3,3 V измеряют так же, меняются только ожидаемые значения: пин в HIGH — это 3,3 V, в LOW — 0 V, а GPIO не выдерживают 5 V. Поэтому следи, чтобы наконечник щупа никогда не касался одновременно пина 5V и соседнего GPIO: наконечник, замкнувший два пина, может мгновенно убить пин. АЦП ESP32 нелинеен и не может правильно читать напряжение выше примерно 3,1 V; вместо того чтобы пересчитывать сырое значение вручную, используй функцию analogReadMilliVolts() и сравни результат с мультиметром — так погрешность сразу видна. У Raspberry Pi Pico есть удобная возможность измерять собственное питание: пин GP29 подаёт на АЦП треть напряжения VSYS. Код на MicroPython ниже каждые две секунды переключает GP15 и измеряет напряжение на GP26 и VSYS. На Pico W пин GP29 общий с микросхемой Wi-Fi, поэтому читать VSYS таким способом ненадёжно.

1from machine import Pin, ADC
2import time
3
4test_pin = Pin(15, Pin.OUT)              # multimetreyle ölçülecek pin / pin to check with the multimeter
5adc0 = ADC(26)                           # GP26 = ADC0, ölçülen gerilim / voltage being measured
6vsys = ADC(29)                           # GP29 = VSYS / 3 (Pico W'da değil) / VSYS / 3 (not on Pico W)
7CONV = 3.3 / 65535                       # ham değerden volta / raw value to volts
8
9while True:
10    test_pin.value(not test_pin.value()) # GP15: 0 V <-> 3,3 V / 0 V <-> 3.3 V
11    v_in = adc0.read_u16() * CONV
12    v_sys = vsys.read_u16() * CONV * 3   # bölücüyü geri çarp / undo the divider
13    print("GP15:", test_pin.value(), " ADC0: %.2f V  VSYS: %.2f V" % (v_in, v_sys))
14    time.sleep(2)

Чтобы проверить результат, коснись чёрным щупом вывода 38 на Pico (GND), а красным — вывода 39 (VSYS). Разница 2–3% между кодом и мультиметром нормальна, потому что опорное напряжение АЦП у Pico — линия 3,3 V, которая тоже не идеальна. Чтобы проверить GP26, подключи к нему средний вывод потенциометра и посмотри, как при вращении вала код и мультиметр показывают одно и то же значение.

Правила безопасности при работе с мультиметром

• Выбирай диапазон до измерения: не поворачивай переключатель, пока щупы в схеме; если при измерении напряжения проскочить через диапазон тока или сопротивления, прибор испытывает перегрузку.
• Каждый раз проверяй, где стоит красный щуп: после измерения тока сразу возвращай щуп в гнездо VΩ. Некоторые модели предупреждают звуковым сигналом, если щуп стоит в гнезде A, а выбрана другая функция.
• Сопротивление, прозвонку и диоды проверяй только на обесточенной схеме: большие конденсаторы перед измерением разряди через резистор.
• Для неизвестных значений начинай с самого большого диапазона: на приборах с ручным выбором спускайся вниз по шагам.
• Осматривай щупы: не пользуйся проводами с треснувшей изоляцией или оголённой жилой; держи пальцы за упорами на щупах.
• Соблюдай категорию и предел напряжения: никогда не превышай категорию CAT и максимальное напряжение, указанные на передней панели; для розеток нужна как минимум CAT II, для электрощитков — CAT III.
• Меняй предохранитель только на такой же: никогда не ставь вместо сгоревшего предохранителя провод, фольгу или предохранитель на больший ток; этот предохранитель стоит там, чтобы защищать тебя.
• Не игнорируй предупреждение о батарейке: когда на дисплее появляется значок батарейки, замени батарейку мультиметра; с подсевшей батарейкой прибор может показывать неверные значения.

Частые ошибки и как их исправить

Идеи проектов, чтобы потренироваться с мультиметром

• Измерь ток светодиода: посмотри, как меняется ток с резистором 220 Ω и 1 kΩ, и сравни результат с калькулятором закона Ома.
• Делитель напряжения: понизь 5 V до 3,3 V двумя резисторами и проверь формулу, измерив напряжение в средней точке; подробности в статье Делитель напряжения.
• Сопротивление, зависящее от света: измерь фоторезистор (LDR) на свету и в темноте, а потом прочитай то же изменение через analogRead.
• Вольтметр на Arduino: сделай собственный вольтметр и откалибруй его мультиметром: вольтметр на Arduino своими руками.
• Датчик тока: измерь ток, который потребляет мотор, и мультиметром, и датчиком тока ACS712, а затем сравни.
• Среднее значение PWM: увеличивай значение analogWrite от 0 до 255 и смотри, как среднее напряжение на пине линейно растёт от 0 до 5 V.

Мультиметр — это твои глаза и уши в электронике: когда привыкаешь измерять, а не гадать, большинство неисправностей находится за считаные минуты. Чтобы разобраться в расчётах, которые стоят за показаниями, прочитай статью Закон Ома, а чтобы познакомиться с компонентами схем — Что такое резистор? В приложении BlueGrays есть такие проекты, как включение светодиода, кнопки, измерение освещённости фоторезистором, измерение температуры термистором NTC и цифровой вольтметр с дисплеем LCD, — у каждого пошаговая схема подключения и код, и любой шаг можно закрепить, измерив его мультиметром.