日本では中学校2年生で電圧計や電流計を使った実験によりオームの法則を学ぶ。中学校で学ぶオームの法則はNHKが公開している下記の短い動画から知ることができる。

オームの法則（中学生向け、NHK for School）
https://www2.nhk.or.jp/school/watch/clip/?das_id=D0005401295_00000

電気の基礎を学校教育で最初に学ぶときは直流の電圧や電流の測定は直感的に判りやすい指示計器（メータ）が使われる。しかし仕事で直流や交流の電圧値や電流値の測定をする場合はデジタルマルチメータを使うことが一般的になっている。

今回は幅広い分野で最もよく使われるデジタルマルチメータについて解説を行う。

1970年代くらいまではデジタルマルチメータは高価であったため、直流電流指示計器（メータ）と簡単な回路によって構成された回路計が広く使われていた。回路計は直流と交流の電圧、抵抗、直流電流の測定ができ、複数の測定レンジを持っているので高精度な測定も可能となっている。回路計はアナログテスター、アナログマルチメータと呼ばれることもある。

図12. 現在でも販売されている回路計（日置電機 3030-10）

回路計の基本構造は下図のようになっている。抵抗測定以外は電池がなくても測定が可能な回路計は軽量であり、指針の振れを見ることによって信号の変化が観測できるため電気工事の現場などでは今でも使われているが、最近ではデジタルマルチメータに置き換わっている。

図13. 回路計の基本構造

第二次世界大戦後に真空管やトランジスタが多くの測定器に使われるようになると、電気計器から電子回路で構成された電気測定器に代わっていった。

精密に直流電圧測定を行うときには電位差計が使われていたが、1950年代になると真空管を使った電子回路によるデジタル電圧計が登場して1960年代になるとトランジスタやダイオードなどの半導体を使ったデジタル電圧計の普及が始まった。電位差計を使いこなすには熟練が必要であったが、デジタル電圧計は数字で測定結果が表示され、必要であればプリンタに測定結果を印字できるので普及が進んだ。

デジタル電圧計にプラグインで追加の回路を組み込みことにより直流電圧以外の項目の測定が可能となり、現在のデジタルマルチメータにつながっていく。

図14. デジタル電圧計とプラグインモジュールを組み合わせた測定器（HP 3440A）

1988年代になるとデジタルマルチメータの高精度が進み、1988年にはヒューレット・パッカード（現在のキーサイト・テクノロジー）から8.5桁のデジタルマルチメータ3458Aが販売されるようになった。この製品は現在でも販売されており、測定器の校正など高い精度が必要な分野で使われている。

最近のデジタルマルチメータは測定結果を数字で表示するだけではなく、測定対象の挙動を見やすい表現で表示できるようグラフィックディスプレイを持つ製品が登場している。

図15. グラフィック表示を持つデジタルマルチメータ（キーサイト・テクノロジー Truevoltシリーズ）

デジタルマルチメータは幅広い用途に使われるため、大きく分けて実験室など室内で使われるベンチトップ型と電気工事など屋外でも使われる電池駆動のハンドヘルド型がある。

ベンチトップ型は机の上で使うため見やすい大きな表示と複数のキーが前面パネルに取り付けられている。背面パネルには通信や外部機器との接続に使う端子やデジタルマルチメータを装置に組み込んだ場合に使う背面入力端子がある。

図16. ベンチトップ型デジタルマルチメータのパネル（キーサイト・テクノロジー 34461A）

ハンドヘルド型のデジタルマルチメータは片手で持てる大きさのため、現場での使い易さをよくするために古くからある回路計に似た操作体系となっている。ハンドヘルド型の上位機種では測定結果をPCに送る通信機能を持っている。

図17. ハンドヘルド型デジタルマルチメータのパネル（キーサイト・テクノロジー U1281）

デジタルマルチメータはコモンモード電圧（測定する2点間に重畳する同相の電圧）を持った信号源の電圧や電流の測定を安全にできるように入力端子は絶縁構造となっている。従って入力端子のH（ハイ）側もL（ロー）側も本体のケースには接続されていない。また入力を絶縁することによってグランドループによるノイズの影響を受けにくくすることができる。

デジタルマルチメータのブロック図は測定項目ごとの入力回路、A/D変換器、絶縁回路、制御回路、表示器によって構成されている。

図18. デジタルマルチメータのブロック図

A/D変換器は連続して変化する信号をサンプリングによって捕捉したのちに有限の振幅分解能を持った数値にすることである。A/D変換器の機能を展開すると下記のようになる。

図19. A/D変換器の機能

測定器に使われるA/D変換器にはさまざまな種類があるが、デジタルマルチメータに使われるA/D変換器は高い分解能が要求されるが、高速に変化する信号の捕捉はあまり要求されない。逆にオシロスコープのような高速に変化する現象を観測する測定器の場合は高い分解能は要求されないが、高速に変化する信号の捕捉は要求される。デジタルマルチメータに使われるA/D変換器はΔΣ（デルタ・シグマ）型A/D変換器や二重積分型A/D変換器である。いっぽうデジタルオシロスコープに使われるA/D変換器はパイプライン型やフラッシュ型である。

デジタルマルチメータにはベンチトップ型とハンドヘルド型以外に表示パネルや操作キーがないモジュラー型がある。ベンチトップ型には校正や研究/開発/設計に使われる高精度型から学校教育や生産/保守に使われる低価格型まである。ベンチトップ型の多くは商用交流電源によって駆動され、ラックに組み込んで計測システムの一部として使えるようになっている。

図20. デジタルマルチメータの種類（キーサイト・テクノロジーの事例）

ベンチトップ型とハンドヘルド型では下記に示すように使われる使用場所と用途が異なる。

ハンドヘルド型はさまざまな要求に最適化しているため製品の品種は多くなっている。また電気工事や設備保守の現場では作業者個人が保有するため、市場規模はベンチトップ型より大きい。下記にはキーサイト・テクノロジーが販売しているハンドヘルド型の製品を示す。機種を選定する場合は使用環境や用途を明確にして最適な製品を選ぶ必要がある。

デジタルマルチメータを購入するとテストリードが標準で添付されているが、それ以外にさまざまな便利な周辺ツールがあるので紹介する。

測定対象の形状や測定法に合わせたケーブルを測定器メーカは用意している。下図にはキーサイト・テクノロジーが提供しているテストリードとプローブを示す。

図21. テストリードとプローブ（キーサイト・テクノロジー）

テストリードにはケーブルとチップ（金属製の接触子）やグラバ（信号線を挟んで掴む部品）の最大電圧と最大電流が仕様で規定されているので、使用する前には確認が必要である。例えばキーサイト・テクノロジーの34138A テスト・リード・セットではケーブルは「1000V、15A」であるが、ケーブルの先端に取り付ける精密チップ・プローブ、SMTグラバ、ミニ・グラバは「300V、3A」と仕様に明記されている。

デジタルマルチメータ本体だけで測定が可能な最大電流より大きな電流を測定する場合にシャント抵抗をデジタルマルチメータに取り付けて測定を行うことができる。シャント抵抗を使っての電流測定はシャント抵抗に流れる電流により発生する電圧を電流に換算して読み取る。下図はキーサイト・テクノロジーが提供しているシャント抵抗である。

図22. 大電流を測定するためのシャント抵抗（キーサイト・テクノロジー　34330A）

シャント抵抗は測定可能な周波数帯域が限られていることと、測定確度はシャント抵抗に依存することが仕様から判る。

シャント抵抗を使う場合は電流が流れる電線を切断してシャント抵抗を挿入しなければならないため、電線を切らずに測定をしたいときはクランプ電流センサを利用する。下図は直流電流から測定できるキーサイト・テクノロジーが提供する電池駆動のクランプ電流センサである。

図23. AC/DCクランプ電流センサ（キーサイト・テクノロジー　34134A）

クランプ電流センサは測定可能な周波数帯域が限られていることと、測定確度はクランプ電流センサに依存することを仕様から判る。

クランプ電流センサには交流専用のものがあるので電流センサを選ぶ場合は注意が必要である。

白金測温抵抗体やサーミスタは温度によって抵抗値が変化する特性がある。デジタルマルチメータの抵抗測定機能を使えば温度測定が可能になる。下図はキーサイト・テクノロジーが提供するサーミスタ温度センサである。

図24. サーミスタ温度プローブ（キーサイト・テクノロジー E2308A）

センサの温度測定が可能な範囲は仕様から知る必要がある。また精度よく温度測定をしなければならないときは温度測定の知識が必要となる。温度計測について詳しく知る必要があれば下記の書籍から知識を得ることができる。

デジタルマルチメータは主に直流/交流の電圧と電流および抵抗を幅広い測定レンジで測ることができる。安全に正しく測るための注意点を紹介する。

デジタルマルチメータを破損する最も多い原因は電流測定をする設定で電圧源に誤って接続した場合である。電流測定はデジタルマルチメータの小さな抵抗値のシャント抵抗に電流を流す仕組みになっているため、下図に示すように電圧源から大電流がデジタルマルチメータに流れて、デジタルマルチメータの内部にあるヒューズが溶断して電流測定ができなくなる。

図25. 電流測定の状態で電圧源接続してヒューズが溶断する仕組み

デジタルマルチメータで電圧測定をする場合は接続端子と設定を確認してから行うことが必須である。また誤った操作を行ってヒューズを溶断した場合は取扱説明書に指定されているヒューズと交換することが必要である。

小さな抵抗値の測定では測定対象の抵抗器とデジタルマルチメータの間をつなぐテストリードの影響が誤差要因となる。デジタルマルチメータでは最初にテストリードの抵抗値を測定して、測定対象の抵抗器の測定結果から引き算する方法と測定リードの影響をなくす4線式測定がある。正確な測定を行うには下図に示すようにケルビン・プローブ・セットを使った4線式測定が望ましい。

図26. 抵抗測定の2端子測定法と4端子測定法

2端子測定の場合は電流を流す配線と電圧を測定する配線が共通のため測定対象の抵抗器の抵抗値Rsは配線の抵抗（R₁＋R₂）が含まれた状態となる。4端子測定法の場合は測定対象の抵抗器に電流を流す配線と端子間の電圧を測定する配線が異なるため配線による影響が生じない。電圧を測定する端子の入力抵抗は高いので電流はほとんど流れない。

ハンドヘルド型デジタルマルチメータには4端子測定ができる仕組みがないので、抵抗値の小さい抵抗器を測定する場合は最初に配線抵抗を測定して、測定結果から配線抵抗を引いて表示する機能を使う。

交流の電圧および電流の測定をする場合はデジタルマルチメータ内部に組み込まれた整流回路によって交流を直流に変化する仕組みを使う。整流方式には平均値整流と実効値整流がある。安価なデジタルマルチメータでは平均値整流が使われることがある。最近の多くのデジタルマルチメータでは実効値整流が採用されている。

平均値整流と実効値整流の違いは下記に示すとおりである。

図27. 平均値整流と実効値整流の違い

平均値測定と実効値測定では波形によって異なる測定結果が得られるので、交流の測定を行う場合はどちらの方式が使われているかを事前に確認する必要がある。

表9. 代表的な波形での実効値と平均値の違い

交流信号の測定を正確にする場合はデジタルマルチメータの周波数帯域の仕様に着目する必要がある。周波数帯域以上の成分は測定されないため、歪んだ波形やノイズを含む交流信号を測る場合には注意が必要となる。

デジタルマルチメータで住宅や工場などに配電された交流電源を測定する場合があるが、測定ができる範囲はIEC61010やJIS C 1010に定められた測定カテゴリ（measurement category）で表現される。

図28. 測定カテゴリの種類

測定カテゴリで設定された番号以下であれば使用は可能である。例えば測定カテゴリⅢ（CATⅢ）のデジタルマルチメータは測定カテゴリⅡ（CATⅡ）の範囲にも使える。また測定カテゴリとともに入力端子の最大対地電圧も示されている。下図に示すようにデジタルマルチメータのパネルには測定カテゴリと最大対地電圧が記載されている。

図29. デジタルマルチメータの測定カテゴリと対地電圧の表示