Проектирование электронных измерительных приборов

О. Г. Бондарь, Е. О. Брежнева








                ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ




Учебное пособие












Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.384
ББК 31.221
     Б81




Рецензенты:
доктор технических наук, доцент, главный научный сотрудник НИИЦ (г. Курск) ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ В. Г. Довбня;
доктор технических наук, главный конструктор специальных проектов АО «Авиаавтоматика имени В.В. Тарасова» И. Е. Мухин







     Бондарь, О. Г.
Б81 Проектирование электронных измерительных приборов : учебное пособие / О. Г. Бондарь, Е. О. Брежнева. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2023. - 240 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1518-7

           Изложены основы построения электронных измерительных приборов для измерения параметров электрических сигналов и устройств. Рассмотрены методы измерения, структурные схемы, элементы расчёта основных функциональных узлов.
           Для студентов, изучающих проектирование электронных средств измерений. Может быть полезно специалистам, связанным с ремонтом, проектированием и использованием измерительных приборов, а также широкому кругу инженеров-электронщиков, занимающихся разработкой электронных измерительных средств самого разнообразного назначения.

УДК621.384
                                                                ББК31.221









ISBN 978-5-9729-1518-7

     © Бондарь О. Г., Брежнева Е. О., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие......................................................5
Список принятых сокращений.......................................7
Введение.........................................................8
1. Электрорадиоизмерения и структурное проектирование электронных измерительных приборов...........................................11
  1.1. Краткая история развития приборов измерения электрических величин и электронных измерительных приборов...................11
  1.2. Тенденции развития измерительной техники.................13
  1.3. Классификация и основные характеристики электронных измерительных приборов.........................................15
  1.4. Типовые функционально-преобразовательные узлы электронных измерительных приборов.........................................22
    1.4.1. Общая классификация..................................22
    1.4.2. Основные метрологические характеристики функционально-преобразовательных узлов.......................25
  1.5. Методы и приборы для измерения параметров и анализа электрических сигналов...............................35
    1.5.1. Виды электрических сигналов..........................35
    1.5.2. Аналоговые вольтметры постоянного тока...............52
    1.5.3. Цифровые вольтметры постоянного тока.................60
    1.5.4. Электронные вольтметры переменного тока..............85
    1.5.5. Импульсные вольтметры................................94
    1.5.6. Селективные вольтметры..............................100
    1.5.7. Приборы для измерения искажений формы переменных сигналов........................................106
    1.5.8. Анализаторы спектра.................................114
    1.5.9. Электронные частотомеры (периодомеры)...............127
    1.5.10. Электронные фазометры..............................148
  1.6. Электронные приборы для измерения параметров компонентов цепей с сосредоточенными постоянными.................................157
    1.6.1. Классификация параметров линейных компонентов цепей с сосредоточенными постоянными...............................157
    1.6.2. Схемы подключения двухполюсников к измерительным приборам       159
    1.6.3. Методы измерения параметров цепей...................160
    1.6.4. Цифровые измерители иммитанса.......................168
2. Проектирование узлов электронных измерительных приборов.....173
  2.1. Входные усилители и аттенюаторы электронных измерительных приборов......................................................173
    2.1.1. Основные требования к входным усилителям............173
    2.1.2. Схемотехника и расчёт входных аттенюаторов..........173

3

    2.1.3. Входные каскады на основе ОУ.........................177
  2.2. Входные каскады для измерения малых токов................189
  2.3. Детекторы эффективного (среднеквадратичного) значения....194
  2.4. Фазочувствительные детекторы.............................199
  2.5. Источники опорного напряжения............................205
    2.5.1. Назначение и разновидности ИОН.......................205
    2.5.2. ИОН на основе Зенеровского пробоя....................206
    2.5.3. ИОН на напряжении «база - эмиттер»...................209
    2.5.4. ИОН на транзисторах с плавающими затворами (FGA).....211
    2.5.5. ИОН на дифференциальных парах полевых транзисторов...211
    2.5.6. Особенности применения ИОН...........................212
3. Вычислительная техника в измерительных приборах и системах...215
  3.1. МПС и МК в измерительных приборах и системах.............215
    3.1.1. Встраиваемые системы.................................215
    3.1.2. Компьютерные измерительные системы...................216
    3.1.3. Виртуальные приборы..................................217
  3.2. Методы оценки параметров сигналов в приборах с МПС и МК..231
    3.2.1. Определение действующего значения напряжения.........231
    3.2.2. Оценка периода сигнала...............................232
    3.2.3. Оценка угла сдвига фаз...............................233
Заключение......................................................236
Список литературы...............................................237

4

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Книга базируется на лекционных курсах, читаемых для студентов направления подготовки «Конструирование и технология электронных средств».
    С учётом того, что обычно специальным курсам предшествует курс метрологии, здесь не рассматриваются общие разделы по метрологии, методам измерений, теории погрешностей и т. п.
    Опыт чтения лекций показал, что материал данного курса легче воспринимается студентами, если вначале излагаются вопросы структурного проектирования электронных измерительных приборов, тесно увязанные с объяснением их принципа действия, а затем уже следуют вопросы схемотехнического проектирования функционально-преобразовательных узлов. В этом случае в первую часть целесообразно вынести классификацию этих узлов (по назначению) и их основные метрологические характеристики. Именно с учетом данных соображений и построена структура настоящей книги.
    В отличие от традиционного содержания и направленности учебников по электрорадиоизмерениям и электронным измерительным приборам, в которых основное внимание уделяется уяснению принципа действия электронных измерительных приборов различного назначения, их основным характеристикам и методикам проведения измерений с их использованием (т. е. они предназначены для пользователей электронными измерительными средствами, а не для их разработчиков), в данном учебном пособии основное внимание уделяется основам проектирования этих приборов.
    В частности, в первой части рассматриваются структурные схемы электронных приборов различного назначения, базирующихся на разных методах измерений. При этом главное внимание уделяется сравнительному анализу их достоинств и недостатков, влияющих не только на предельно достижимые технические характеристики, но и на основные экономические и эксплуатационные показатели соответствующих приборов.
    Во второй части рассматривается схемотехническое проектирование наиболее важных и широко применяемых узлов электронных измерительных приборов.
    И, наконец, в третьей части рассматриваются специфические вопросы проектирования электронных измерительных приборов, с встраиваемыми вычислительными средствами и измерительных комплексов на базе персональных ЭВМ. Данное направление развития измерительной техники является в настоящее время наиболее эффективным, поскольку позволяет не только строить многофункциональные измерительные комплексы, заменяющие множество специализированных приборов различного назначения, но и обеспечивать автоматизацию измерений, автоматическую регистрацию измерительной информации и ее автоматизированную обработку по алгоритмам любой сложности. Одновременно достигается существенное повышение технологичности производства электронных измерительных средств, а во многих случаях и повышение их метрологических характеристик, за счет рационального распределения

5

функций между аппаратными и программными средствами и применения сложных алгоритмов измерений и обработки измерительной информации.
    Поскольку вопросы проектирования электронных средств измерений в существующей литературе отражены слабо, есть надежда, что данное издание сможет в какой-то мере восполнить этот пробел. Оно может оказаться полезным не только для студентов, изучающих соответствующие дисциплины, но и для широкого круга инженеров-электронщиков, занимающихся разработкой электронных измерительных средств самого разнообразного назначения.

6

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ


АСУТП

АСНИ АЦП АЧХ БПФ ИВК ИИС ИОН ИС ПНЧ САК СИ СРО СТД УО ЦАП ЦИП ЦОС УНЧ УПТ ФЧХ ЭИП ЭСИ ЭСЧ

автоматизированная система управления технологическими процессами
автоматизированная система научных исследований аналого-цифровой преобразователь
амплитудно-частотная характеристика
быстрое преобразование Фурье
измерительно-вычислительный комплекс измерительно-информационная система источник опорного напряжения
измерительная система
преобразователь «напряжение - частота»
система автоматического контроля
средство измерения
система распознавания (идентификации) образов
система технической диагностики
усилитель-ограничитель
цифро-аналоговый преобразователь
цифровой измерительный прибор
цифровая обработка сигналов
усилитель низкой частоты
усилитель постоянного тока
фазо-частотная характеристика
электронный измерительный прибор
электронное средство измерения
электронно-счётный частотомер

7

ВВЕДЕНИЕ


    В настоящее время, в связи с широким внедрением информационных технологий во все сферы человеческой деятельности, научно-технический уровень любой страны определяется состоянием и темпами развития вычислительной техники и ее программного обеспечения, электронных средств коммуникаций и электронной измерительной техники. Роль последней определяется тем, что в современных условиях проведение эффективных исследований в области физики, химии, биологии, медицины и других ведущих областях знаний, а уж тем более в области электроники и радиоэлектроники, немыслимо без опережающего развития электронных средств измерений электрических величин и сигналов, а также других самых разнообразных физических величин.
    Область применений электронных измерительных средств огромна и непрерывно расширяется. Это определяется их известными достоинствами: малым потреблением мощности от источника измеряемой величины, широкими пределами измерений, возможностью измерений разнообразных по физической природе величин, многофункциональностью, высокой степенью автоматизации измерительных операций, высоким быстродействием, возможностью дистанционной передачи результатов измерений, высокой точностью измерений и др. Соответственно этому очень обширна и продолжает быстро расширяться и номенклатура серийно выпускаемых электронных средств измерений. Это и приборы для проведения экспериментальных научных исследований в различных отраслях науки, и приборы и измерительные преобразователи для контроля различных параметров технологических процессов, и средства производственного контроля качественных показателей разнообразной продукции, и приборы для измерения и анализа разнообразных электрических и радиосигналов, и т. п.
    В ограниченном объёме пособия охватить все эти области немыслимо. Но это и не нужно, поскольку лежащие в основе разнообразных электронных измерительных средств методы измерений и реализующие их структурные схемы приборов вполне обозримы и для приборов различного назначения отличаются, в основном, использованием разных первичных преобразователей измеряемых физических величин и некоторыми особенностями используемых в них функциональных узлов.
    Несмотря на огромное разнообразие электронных измерительных средств, все они состоят из ограниченной номенклатуры функционально-преобразовательных узлов. Это позволяет широко использовать структурнофункциональный метод проектирования. При этом метрологические характеристики проектируемых приборов будут зависеть не только от соответствующих характеристик применяемых функциональных узлов, но и от выбранной структуры прибора, определяемой используемым методом измерений, применяемыми алгоритмами измерений и обработки получаемой измерительной информации.

8

    Последнее обстоятельство имеет важное значение в связи с повсеместным внедрением микропроцессорной техники в электронные измерительные средства. Использование микропроцессоров позволяет не только улучшить пользовательские интерфейсы приборов и автоматизировать процесс измерений, но и во многих случаях существенно упростить структуру и схемотехнику прибора за счет передачи ряда его функций программным средствам. А это, в свою очередь, повышает компактность прибора, технологичность его производства и, как следствие, приводит к существенному снижению его стоимости. Одновременно с этим появляется возможность использования более сложных алгоритмов измерений, что позволяет повысить точность прибора, без соответствующего улучшения метрологических характеристик основных измерительных узлов, а также ввести дополнительные сервисные функции.
    С учетом сказанного важнейшее значение в проектировании современных измерительных средств приобретает сравнительная оценка возможных альтернативных вариантов их построения. Для синтеза рациональной структурнофункциональной схемы конкретного измерительного прибора необходимо четко сформулировать его функции и основные требования к техническим характеристикам и проанализировать возможные альтернативные варианты построения структурной схемы, базирующиеся на различных методах измерений с учетом потенциальных возможностей этих методов.
    Действительно, одну и ту же физическую величину можно измерить разными методами. Одни из них (например, метод прямого преобразования) позволяют использовать простые алгоритмы измерений и реализуются простыми структурно-функциональными схемами. Однако, для получения высоких метрологических характеристик прибора должны предъявляться весьма жесткие требования к самим функционально-преобразовательным узлам, в результате чего прибор получается достаточно дорогим и сложным в настройке и регулировке. Другие методы, например, компенсационный, требуют использования более сложных алгоритмов измерений, которые реализуются за счет усложнения структурной схемы или введения в ее состав встраиваемой микропроцессорной системы. Но при той же точности прибора существенно снижаются требования к метрологическим характеристикам применяемых функционально-преобразовательных узлов, что, в конечном счете, приводит к удешевлению всего прибора.
    Таким образом, далеко не всегда использование простейших алгоритмов измерения и, соответственно, простейших структурных схем приводит к удешевлению проектируемого прибора. Поэтому структурное проектирование, суть которого сводится к выбору метода измерения, реализующих его алгоритмов и структурно-функциональных схем, является наиболее ответственным этапом проектирования, требующим от проектировщика не только глубоких знаний теоретических основ возможных методов измерений данной физической величины, потенциальных возможностей применяемых функциональнопреобразовательных узлов, но и экономических знаний, владения методами функционально-стоимостного анализа, постоянного слежения за быстро об

9

новляющейся элементной базой. Именно этим вопросам и уделяется основное внимание в первой части книги.
    Аналогичная ситуация имеет место и при схемотехническом проектировании функциональных узлов электронных измерительных приборов. Схемотехническое проектирование функционально-преобразовательных узлов электронных средств измерений в настоящее время все чаще сводится к рациональному выбору серийно выпускаемых микросхем, полностью реализующих законченные функциональные узлы. Номенклатура таких микросхем на мировом рынке очень обширна и продолжает быстро расширяться, поэтому ориентироваться в ней весьма непросто, но еще сложнее этому научить. Авторы отдают себе в этом отчет и вместо безнадежных попыток описать имеющуюся на настоящий момент элементную базу, перспективную для применения в средствах измерений, предпочли дать некоторые ориентиры и рекомендации методического характера, облегчающие решение этой задачи самим читателем. Поэтому в этой части пособия делается акцент на схемотехнику узлов, не реализованных в виде единой микросхемы, или для их реализации соответствующую микросхему необходимо дополнять навесными элементами с рассчитываемыми параметрами.
    Ввиду повсеместного распространения персональных ЭВМ и как основного средства САПР разработчика электронной техники разнообразного назначения, и как универсального ядра систем автоматизированного контроля и управления технологическими процессами, и как средства регистрации, обработки и хранения измерительной информации, в последнее время все большее внимание уделяется разработке электронных измерительных средств в виде встраиваемых или подключаемых непосредственно к ЭВМ измерительных программно управляемых блоков. Это направление открывает перспективы по созданию сравнительно дешевых и удобных для пользователя многофункциональных измерительно-вычислительных комплексов с практически неограниченными возможностями по регистрации, обработке и хранению измерительной информации. При этом, даже с учетом стоимости самой ЭВМ, такой комплекс оказывается существенно дешевле, чем комплект соответствующих специализированных измерительных приборов, которые он заменяет. Но не это является главным достоинством таких комплексов. Гораздо важнее то, что такие комплексы открывают неограниченные перспективы по использованию самых сложных алгоритмов измерений и последующей вычислительной и логической обработки измерительной информации.
    Проектирование таких комплексов имеет свою специфику. Оно требует от разработчика не только глубоких знаний измерительной и вычислительной техники, но и широкой общетехнической эрудиции, позволяющей рационально выбрать перечень основных функций проектируемого комплекса и сформулировать технические требования к нему. Сознавая невозможность включения всего материала, необходимого для решения столь сложной задачи, авторы посчитали целесообразным привести в третьей части настоящего пособия лишь самые общие сведения, необходимые для проектирования таких комплексов, а также некоторые методические указания, облегчающие самостоятельное решение таких задач.

10

1.         ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ И СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

1.1. Краткая история развития приборов измерения электрических величин и электронных измерительных приборов

    Технические средства измерений существуют уже несколько тысячелетий. Необходимость в них стимулировалась торговлей, что привело к созданию весов, строительством и землеустройством, требующими средств измерения углов и расстояний. Организация деятельности потребовала инструментов для измерения времени.
    Бурное развитие науки с конца XVI века вело к параллельному прогрессу в области измерительной техники. В XIX веке начала интенсивно развиваться электротехника и вместе с ней приборы для электрических измерений.
    В 1733-1737 гг. французский учёный Ш. Дюфе создал электроскоп. В 1752-1754 гг. его работы продолжили М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман в процессе исследований атмосферного электричества. В середине восьмидесятых годов XVIII века Ш. Кулон изобрёл крутильные весы - электростатический измерительный прибор.
    Принцип действия первых электрических приборов был основан на отклонении магнитной стрелки электрическим током. Однако такие приборы являлись по существу лишь индикаторами тока. Первым индикатором электрического тока был одновитковый мультипликатор построенный X. Швейгера (1820 г.), далее усовершенствованный им и независимо И. Поггендорфом [1]. Прибор представлял собой вертикально размещаемую катушку, внутри которой на шёлковой нити подвешивалась магнитная стрелка. Для исключения влияния магнитного поля Андре-Мари Ампер предложил ввести компенсационную магнитную стрелку, располагающуюся на той же оси вне магнитного поля, создаваемого катушкой, но ориентированную противоположно. В гальванометр подобное устройство превратил профессор Гельсингфорского университета Э. Нервандер (1833 г.). Сила тока определялась по тангенсу угла отклонения стрелки от плоскости катушки.
    Гальванометры легли в основу методов электрических измерений - баллистического (Э. Ленц, 1832 г.), мостового (Кристи, 1833 г.), компенсационного (И. Поггендорф, 1841).
    В середине XIX века отдельные ученые в разных странах создают меры электрических величин, принимаемые ими в качестве эталонов, производят измерения в единицах, воспроизводимых этими мерами, и даже проводят сличение мер в разных лабораториях. В России в 1848 г. академик Б. С. Якоби предложил в качестве эталона единицы сопротивления применять медную проволоку длиной 25 футов (7,61975 м) и диаметром 2/3 мм (хотя был задан её вес - 22,4932 г), навитую спирально на цилиндр из изолирующего материала. Во Франции эталоном единицы сопротивления служила железная проволока

11

диаметром в 4 мм и длиной в 1 км (единица Бреге). В Германии таким эталоном являлся столб ртути длиной 1ми сечением 1 мм² при О °C.
    Вторая половина XIX века была периодом роста новой отрасли знаний -электротехники. Создание генераторов электрической энергии и применение их для различных практических целей побудили крупнейших электротехников второй половины XIX в. заняться изобретением и разработкой различных электроизмерительных приборов, без которых стало немыслимо дальнейшее развитие теоретической и практической электротехники.
    В 1871 году А. Г. Столетов впервые применил баллистический метод для магнитных измерений и исследовал зависимость магнитной восприимчивости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля, создав этим основы правильного подхода к расчету магнитных цепей. Этот метод используется в магнитных измерениях и в настоящее время.
    В 1880-1881 гг. французские инженер Марсель Депре и физиолог д’Арсонваль построили ряд высокочувствительных гальванометров с зеркальным отсчетом.
    Для применения в промышленности и на транспорте приборы с подвесами и растяжками были неудобны и в 1888 году американец Э. Вестон предложил прибор, в котором ось подвижной катушки опиралась на керны, а противодействующий момент и подвод тока осуществлялись двумя спиральными пружинами.
    В 1881 г. немецкий инженер Ф. Уппенборн изобрел электромагнитный прибор с эллиптическим сердечником, а в 1886 г. он же предложил электромагнитный прибор с круглой катушкой и двумя цилиндрическими сердечниками.
    В 1894 г. немецкий инженер Т. Бругер изобрел логометр.
    Большой вклад в электроизмерительную технику внёс М. О. Доливо-Добровольский. Опираясь на свои достижения в области применения вращающегося магнитного поля он усовершенствовал амперметры вольтметры постоянного и переменного тока, разработал фазометр и ваттметр.
    Однако несмотря на успехи в области создания электроизмерительных приборов существовали серьёзные проблемы в сопоставлении результатов измерений связанные с тем, что по состоянию на 1880 г. существовало 5 единиц электрического тока, 8 единиц ЭДС полтора десятка единиц электрического сопротивления. И только на первом конгрессе по электричеству в 1881 г. были приняты электромагнитная и электростатическая системы единиц [2].
    Появление электронных приборов относится к XX веку.
    Первые электронные (катодные) вольтметры выпустила в 1922 г. Кембриджская компания. Эти приборы предназначались для измерений переменных напряжений на двух диапазонах: либо от 0 до 1,5 В, либо от 0 до 10 В. Чуть позже появились вольтметры Сименса, построенные на тетроде. В конце 20-х годов вольтметр Сименса строился уже на четырех электронных лампах; его шкала была практически равномерной в диапазоне 20-300 мВ; приведенная погрешность не превышала 2 % в частотном диапазоне 0,5-15 кГц. Главным преимуществом первых электронных вольтметров перед электромеханически

12