Электроника и измерительная техника

Электронный 
измерительный прибор — 
прибор, измерительные цепи которого 
содержат электронные 
элементы; 
используется для измерений 
практически всех электрических 
величин, 
а также неэлектрических 
величин, 
предварительно 
преобразованных 
в электрические. 

(Физический энциклопедический 
словарь) 

РЕДАКЦИОННЫЙ 
СОВЕТ 

Председател 
ь 

Л.А. 
ПУЧКОВ 

Зам. 
председателя 

Л.Х. 
ГИТИС 

Члены 
редсовеша 

КВ. 
ДЕМЕНТЬЕВ 

A. П. 
ДМИТРИЕВ 

Б.А. 
КАРТОЗИЯ 

A. В. КОРЧАК 

М.В. 
КУРЛЕНЯ 

B. И. 
ОСИПОВ 

В.Л. 
ПЕТРОВ 

э.м. 
СОКОЛОВ 

КН. 
ТРУБЕЦКОЙ 

B. А. 
ЧАНТУРИЯ 

Е.И. 
ШЕМЯКИН 

президент 
МГГУ, 
чл.-корр. 
РАН 

директор 
Издательства 
МГГУ 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
РАЕН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
МАН 
ВШ 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

академик 
РАН 

А.С. В О З Н Е С Е Н С К И Й 
й 
В.Л. ТТТКУРАТНИК 

UOCI 

ЭЛЕКТРОНИКА 

UOCI 

И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ 

ТЕХНИКА 

Допущено Учебно-методическим объединением 
вузов Российской Федерации по образованию 
в области горного дела в качестве учебника 
для студентов вузов, обучающихся по специальности 
«Физические процессы горного или нефтегазового 
производства» направления подготовки 

«Горное дело» 

[ Контрол 

X 

ё 
W 
S 
СО 
S А 

МОСКВА 
• 

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА» 

ИЗДАТЕЛЬСТВО 
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО 
ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2008 

X 

ё 
W 
S 
СО 
S А 

УДК 53.08.088:622 
ББК 33.1 
В64 

Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым 
коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы 'Культура 
России* 
Книга соответствует 
«Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых. СанПиН 
1.2.1253—03», 
утвержденным 
Главным государственным 
санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). 
Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей 
№ 
77.99.60.953.Д.008501.07.07 

Экспертиза проведена Учебно-методическим 
объединением вузов Российской 
Федерации по образованию в области горного дела (письмо №51-108/6 
от 12.10.2006 г.) 
Рецензенты: 
• кафедра «Радиоприемные устройства» Московского государственного института радиоэлектроники и автоматики (Технического университета) (зав. кафедрой 
проф., д-р техн. наук Л.Л. Парамонов); 
• д-р техн. наук, проф. В.Н. Захаров (зав. лабораторией Института проблем комплексного освоения недр РАН) 

Вознесенский А.С., Шкуратник B.JI. 

В64 
Электроника и измерительная техника: Учеб. для вузов. — 
М.: издательство «Горная книга», Издательство Московского 
государственного горного университета, 2008. — 480 с: ил. 

ISBN 978-5-98672-075-3 (в пер.) 
ISBN 978-5-7418-0496-4 

Приведены основные понятия, термины и определения в области измерительной техники. Рассмотрены виды; особенности временнбго и спектрального 
представления, а также преобразований и искажений сигналов, характеристики 
и свойства пассивных электрических цепей, электровакуумных, газоразрядных и 
полупроводниковых приборов. Описаны принципы действия аналоговых и цифровых электронных схем для различных преобразований сигналов. Изложены базовые сведения о микропроцессорах и однокристальных микроЭВМ, а также о 
первичных преобразователях электронной аппаратуры геоконтроля, рассмотрены 
примеры ее построения. 

А.С. Вознесенский — проф., д-р техн. наук, В.Л. Шкуратник — проф., д-р техн. 
наук, зав. кафедрой (кафедра «Физико-технический контроль процессов горного 
производства» Московского государственного горного университета). 

Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Физические процессы горного или нефтегазового производства» направления подготовки «Горное 
дело». Может быть полезен студентам других неэлектротехнических специальностей, а также аспирантам, научным и инженерно-техническим работникам, сфера деятельности которых связана с использованием электронной измерительной 
техники. 

УДК 53.08.088:622 
ББК 33.1 

ISBN 978-5-98672-075-3 
© А.С. Вознесенский, В.Л. Шкуратник, 2008 

ISBN 978-5-7418-0496-4 
© Издательство «Горная книга», Издательство 

МГГУ, 2008 
©Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2008 

ВВЕДЕНИЕ 

Повышение эффективности производства на основе ускорения научно-технического прогресса остается важнейшей задачей, стоящей перед страной. Существенная роль в решении этой 
задачи принадлежит электронике и развивающейся на ее базе 
информационно-измерительной технике, результаты применения которых наиболее значимо проявляются при управлении 
сложными объектами и процессами. К последним с полным основанием могут быть отнесены объекты горного производства, 
процессы, связанные с добычей и переработкой полезных ископаемых, строительством и эксплуатацией подземных сооружений, обеспечением технологической и экологической безопасности горных работ. Без измерений, а следовательно, и без электронных средств их проведения невозможно также решение научно-исследовательских задач в горном деле. 

Отмеченное выше в совокупности с требованиями соответствующей квалификационной характеристики определяет необходимость изучения будущими специалистами в области физических процессов горного производства дисциплины «Электроника и измерительная техника». Роль этой дисциплины в формировании указанных специалистов определяется тем местом, 
которое занимает информационное обеспечение (и электроника 
как важнейшее средство его реализации) в выборе методологии 
принятия технических решений и оценке их качества, установлении количественных соотношений и закономерностей изучаемых процессов и явлений. 

Включение дисциплины в соответствующие учебные планы ставило своей целью дать студентам базовые знания в области электроники и электронных средств получения измерительной информации с учетом специфики объектов и процессов, для 
изучения которых и управления которыми указанная информация должна быть использована. При этом следует иметь в виду, 
что горный инженер-физик, конечно, не призван создавать те 

5 

или иные электронные устройства, однако он должен понимать 
принципы их действия и возможности, уметь грамотно выбирать 
и эксплуатировать такие устройства, а также квалифицированно 
формулировать задания на их разработку с учетом требований 
горного производства. 

Электроника представляет собой отрасль науки и техники, 
занимающуюся изучением физических основ 
функционирования, исследованием, разработкой и применением приборов, 
работа которых основана на протекании электрического тока в 
твердом теле, вакууме и газе. Более широко электроника может 
быть определена как область всестороннего практического использования учения об электрических явлениях для извлечения, 
передачи, обработки и отображения информации (информационная электроника), а также для преобразования одного вида 
электрической энергии в другой (энергетическая электроника). 
Круг вопросов, рассматриваемых в рамках настоящего учебника, относится к информационной электронике, которая предполагает использование электрической энергии в качестве материального носителя сигналов информации. 

Измерительная техника — отрасль науки и техники, связанная с изучением, созданием и использованием методов и 
средств экспериментального получения информации о величинах, характеризующих свойства и состояния объектов исследования и производственных процессов. Она имеет своим 
предназначением получение измерительной информации, а 
значит, сфера ее приложения во многом совпадает со сферой 
приложения электроники. Кроме того, современные средства 
измерений в своем абсолютном большинстве строятся на базе 
электронных приборов и устройств. Все это дает основания для 
изучения электроники и измерительной техники в рамках единой дисциплины, содержанию программы которой соответствует настоящий учебник. Причем в этой программе упор сознательно сделан на электронику, поскольку учебными планами 
специальности «Физические процессы горного производства» 
различные аспекты измерений рассматриваются в таких курсах, как «Измерения в физическом эксперименте», «Методы 
и средства геоконтроля», «Приборы и оборудование для геофизических исследований и неразрушающего контроля» и др. 
В то же время в изучаемом студентами курсе «Электротехника 

6 

и электроника» вопросам электроники уделено явно недостаточное внимание. 

История электроники настолько многогранна, что представить ее в рамках настоящего введения можно только схематично. Ее рождение и последующее бурное развитие было подготовлено трудами нескольких поколений выдающихся ученых-физиков, таких как Ш.О. Кулон (1736—1806), М. Фарадей (1791— 
1867), Д.К. Максвелл (1831-1879), Г. Герц (1857-1894) и др. 

Фундамент электроники был заложен во второй половине X I X — начале XX века созданием основ электродинамики 
(1856—1873), открытием электрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), термоэлектронной эмиссии (1882—1901), фотоэлектронной эмиссии (1887—1905), развитием электронной теории (1892—1909). 

Точкой отсчета практической электроники 
можно считать изобретение электровакуумного (лампового) диода и применение его для детектирования электрических сигналов (Дж. 
A. Флеминг, 1904). Введение в диод дополнительного управляющего электрода (сетки) привело к созданию триода — электронной лампы, позволяющей усиливать электрические колебания 
(Л. де Форест, 1906), а также их генерировать (А. Мейснер, 1913). 
Затем были разработаны мощные генераторные лампы с водяным охлаждением (М.А. Бонч-Бруевич, 1919—1925). В 1924 г. 
была создана электронная лампа с двумя сетками (тетрод), которая обладала по сравнению с триодом лучшими параметрами 
и могла работать в более широком диапазоне частот. Позднее, 
в тридцатые годы, появился пентод и другие многосеточные, а 
также комбинированные лампы, позволившие существенно усовершенствовать и упростить соответствующую электронную аппаратуру. 

Первые шаги электровакуумной фотоэлектронной техники 
связаны с именем А.Г. Столетова, создавшего в 1888 г. экспериментальный образец фотоэлемента, промышленные варианты 
которого появились в 1910 г. (Ю. Эльстер и Г. Хейтель). В период с 1928 по 1930 г. были разработаны однокаскадные (П.В. Тимофеев) и многокаскадные (Л.А. Кубецкий) фотоумножители. 
Последние стали, в частности, основой для создания различных 
вариантов передающих телевизионных трубок ( С И . Катаев и 
B. К. Зворыкин, 1931 — 1932; П.В. Тимофеев и П.В. Шмаков, 1933; 
Г.В. Брауде,1939; А. Розе, П. Веймер, X. Лоу, 1946 и др.). 

7 

В 30-е годы появился новый класс электронных приборов 
для генерирования мощных электрических колебаний в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. 
Это — клистроны, идея которых принадлежит Д.А. Рожанскому (1932), а практическая реализация Р. и 3. Варианам (1938), 
и магнетроны, разработанные Н.Ф Алексеевым и Д.Е. Маляровым (1935). Позже были созданы также лампы бегущей волны 
(Р. Компфнер, 1943). 

По современной классификации электронные устройства, 
основанные на применении электронных ламп, относят к первому поколению. Вскоре после окончания второй мировой войны 
наступил этап развития электроники второго поколения — полупроводниковой. Начало этому этапу было положено открытием 
транзисторного эффекта и созданием первого точечного транзистора (Дж. Бардин, У. Браттейн, 1948). Затем в 1949 г. и 1952 г. 
были изобретены соответственно плоскостной биполярный и 
полевой униполярный транзисторы (У. Шокли). Несколько позже появилась большая группа полупроводниковых приборов самого разного назначения: тиристоры, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, варисторы, светодиоды и многие другие. 

В конце 50-х — начале 60-х годов пришло время электроники третьего поколения, в основе которой лежит использование 
интегральных микросхем. Последние представляют собой микроминиатюрные функционально законченные электронные устройства (усилители, генераторы, преобразователи, логические 
элементы и др.), содержащие совокупность электрически связанных между собой транзисторов, полупроводниковых диодов, 
конденсаторов, резисторов и других элементов, изготовленных 
в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме 
пластины полупроводника. Интегральные микросхемы позволили не только сократить массу и габариты электронной аппаратуры, но и значительно повысить ее надежность и экономичность 
по сравнению с устройствами более ранних поколений. 

Дальнейшее совершенствование микроэлектронной технологии привело к созданию больших и сверхбольших интегральных микросхем (БИС и СБИС), число элементов в которых достигает 10 тысяч и миллиона соответственно. Электронные устройства, выполненные на БИС и СБИС, относят к четвертому 
поколению. 

8 

Сегодня электроника продолжает оставаться одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки и техники. Пятое 
поколение электронных устройств отличает использование интегральных микросхем с еще большим уровнем интеграции и быстродействием, что сказалось прежде всего на дальнейшем увеличении объемов обрабатываемой информации вычислительными 
и управляющими электронными системами с одновременным 
уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. 

По сравнению с электроникой измерительная техника имеет существенно более длительную историю своего развития, 
ведь относительно примитивные ее образцы появились еще за 
несколько тысячелетий до нашей эры. Однако только с тех пор 
когда электронные устройства стали неотъемлемой частью технических средств измерений, качество последних все в большей 
степени стало удовлетворять постоянно возрастающим требованиям практики. Не будет преувеличением сказать, что с момента 
появления электроники каждому новому поколению ее средств 
сопутствовало появление нового более совершенного поколения средств измерительной техники. Для средств измерений, 
используемых в горном деле, для которого характерны экстремальные условия эксплуатации, это проявляется даже в большей 
степени, чем в ряде других областей. В свою очередь нельзя забывать, что и в производстве электронных устройств значительный удельный вес занимают измерения. Например, до 50% всех 
операций, выполняемых при производстве изделий микроэлектроники, составляют измерительные операции. Таким образом, 
электроника и измерительная техника развиваются во многом 
параллельно, взаимно обогащая друг друга. 

В основу настоящего учебника положены лекции, читаемые 
по одноименному курсу в течение ряда лет студентам неэлектротехнических специальностей. Этот факт учитывался при его 
подготовке, что сказалось на содержании и стиле изложения материала. Авторы старались сохранить строгость и тщательность 
изложения предмета. В то же время они не стремились вдаваться в частности, необходимые специалистам, разработка аппаратуры для которых является основной сферой деятельности. Для 
инженеров же, работа которых связана с применением измерительной аппаратуры, вполне достаточно понимание основных 
принципов действия приборов, их технических характеристик, и 

9 

это знание должно быть достаточно глубоким. Кроме того, специалисты, разрабатывающие принципы измерения и основы 
практического применения, должны уметь сформулировать разработчикам аппаратуры те требования к измерительным и эксплуатационным параметрам, которыми должны обладать создаваемые приборы. 

При написании учебника учитывалась область подготовки 
студентов, связанная в первую очередь с геофизикой, неразрушающим контролем, диагностикой, а также с контролем физических процессов горного и нефтегазового производства. Учебник будет полезен также аспирантам и специалистам, областью 
деятельности которых являются радиоэлектроника, вычислительная техника.