Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ
СХЕМОТЕХНИКА.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ
Учебное пособие
Составитель И.А. Носенко
Москва
Ай Пи Ар Медиа
2025
УДК 621.3
ББК 32.971.3
А64
Составитель:
Носенко И.А. — канд. техн. наук, доц., доц. кафедры
«Транспортная безопасность и управление дорожной инфраструктурой»
Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова
Рецензенты:
Меньшенин Е.С. — канд. техн. наук, доц. кафедры
«Транспортная безопасность и управление дорожной инфраструктурой»
Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова;
Волков Д.В. — канд. техн. наук, доц. кафедры
«Транспортная безопасность и управление дорожной инфраструктурой»
Шахтинского автодорожного института (филиала) ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова
А64 Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения :
учебное пособие / составитель И.А. Носенко. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2025. — 128 с. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4497-4585-9
Учебное пособие составлено в соответствии с курсом «Аналоговая
и цифровая схемотехника». Изложены теоретические основы расчета
средств измерения и построения их схем. Рассмотрены аспекты, посвященные свойствам, расчетам и построению активных фильтров разных
типов и порядков, которые пропускают или задерживают сигналы, лежащие в определенных полосах частот. Материал содержит примеры
построения практических схем и типовых расчетов.
Подготовлено в соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по укрупненной
группе направлений подготовки «Электро- и теплоэнергетика», изучающих дисциплину «Аналоговая и цифровая схемотехника».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4497-4585-9 © Носенко И.А., составление, 2025
© ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2025
Учебное издание
Редактор А.В. Неверова
Технический редактор, компьютерная верстка А.А. Балакирева
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова, фотобанк Freepik
Подписано к использованию 20.08.2025. Объем данных 7 Мб.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа»
8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)
E-mail: sales@iprmedia.ru
4
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 7
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ................................................ 8
2. ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЯЕМЫХ ВЕЛИЧИН ................................................................................. 14
2.1. Ёмкостные датчики ........................................................................................ 14
2.2. Пьезоэлектрические датчики ........................................................................ 15
2.3. Электромагнитные датчики .......................................................................... 16
2.4. Электромеханические датчики ..................................................................... 18
2.5. Ионизационные датчики................................................................................ 18
2.6. Фотоэлектрические датчики ......................................................................... 19
2.7. Резистивные датчики ..................................................................................... 22
2.8. Полупроводниковые датчики........................................................................ 25
2.9. Датчики Холла ................................................................................................ 26
2.10. Счетчики Гейгера ......................................................................................... 27
2.11. Термоэлектрические преобразователи ....................................................... 27
3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ В ТОК (ПНТ) .............................. 29
3.1. Преобразователи напряжения в ток для незаземленной
нагрузки .................................................................................................................. 29
3.2. Схема с увеличением выходного тока ......................................................... 30
3.3. Преобразователь напряжения в совокупность взвешенных
выходных токов ..................................................................................................... 32
3.4. Преобразователи напряжения в ток на базе использования
операционных усилителей ................................................................................... 34
4. ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ ............................................. 39
4.1. Передаточные функции фильтров ................................................................ 39
4.2. Схемы фильтров ............................................................................................. 48
4.3. Проектирование фильтров высоких порядков ............................................ 58
4.4. Преобразование и масштабирование ........................................................... 62
4.5. Переход к реализации передаточной функции в схеме ............................. 63
5
5. ИДЕАЛЬНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ .................................................................... 66
5.1. Идеальный однополупериодный выпрямитель .......................................... 66
5.2. Двухполупериодный выпрямитель для незаземленной нагрузки ............. 67
5.3. Двухполупериодный выпрямитель для заземленной нагрузки ................. 68
6. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ........................................... 71
6.1. Кусочно-линейные аппроксиматоры ........................................................... 71
6.2. Кусочно-линейный аппроксиматор с характеристикой,
симметричной относительно начала координат ................................................ 73
6.3. Функциональные преобразователи на основе
использования нелинейных свойств ВАХ полупроводниковых
приборов ................................................................................................................. 74
6.4. Экспоненциальный преобразователь ........................................................... 76
6.5. Одноквадрантный умножитель ..................................................................... 76
7. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫЙ
ПЕРЕМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ............................................................... 77
8. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ........................................ 82
8.1. Классификация ЦАП ...................................................................................... 82
8.2. Основные характеристики ЦАП ................................................................... 84
8.3. ЦАП с коммутацией двоично-взвешенных резисторов ............................. 85
8.4. ЦАП с генератором двоично-взвешенных токов ........................................ 86
8.5. ЦАП на основе структуры R-2R ................................................................... 89
9. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ........................................ 91
9.1. Параллельные АЦП ........................................................................................ 91
9.2. Последовательные АЦП ................................................................................ 93
9.3. АЦП с регистром поразрядного уравновешивания .................................... 94
9.4. Следящий АЦП ............................................................................................... 94
9.5. Конвейерные АЦП ......................................................................................... 96
9.6. АЦП с преобразованием напряжения в частоту (ПНЧ) ............................. 96
10. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ДЛЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ .................................................................... 98
6
11. СИЛОВЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ КЛЮЧИ ................................................ 101
11.1. Цепи формирования траектории переключения ..................................... 101
11.2. Применение пропорционально-токового управления
транзисторным ключом ...................................................................................... 103
11.3. Применение в качестве ключевого элемента БСИТ транзистора ......... 104
11.4. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) .............................................. 105
12. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ .................................................. 107
12.1. Работа инструментальных усилителей с большими
значениями синфазных входных сигналов ....................................................... 107
12.2. Наличие высоких и сверхвысоких значений
входных сопротивлений ..................................................................................... 109
12.3. Усилители с автоматической коррекцией нуля ...................................... 110
13. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКОСТЕЙ
И ГАЗОВ .................................................................................................................. 113
13.1. Измерение расхода ..................................................................................... 113
13.2. Измерение давления ................................................................................... 117
13.3. Измерение влажности ................................................................................ 118
13.4. Измерение уровня ...................................................................................... 120
13.5. Измерение температуры ............................................................................ 122
14. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ......................................................... 124
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................................................. 128
7
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в любой промышленной отрасли применяются различные системы автоматического и автоматизированного управления, в которых задействованы в качестве устройств управления устройства и узлы, построенные на электронных компонентах.
Знание основ схемотехники построения данных узлов, предназначенных
для измерения, фильтрации и преобразования аналоговых и цифровых сигналов
однозначно лежит в основе дисциплин, в которых изучается как аналоговая, так
цифровая электроника.
Данное учебное пособие позволит познакомиться с основными законами
и методами анализа электрических цепей, используемых для понимания работы
аналоговых и цифровых схем, принципами работами аналоговых устройств,
формирующих и обрабатывающих непрерывные сигналы. Студент изучит методы фильтрации, усиления и нормирования сигналов, построения фильтров
различных типов, получит навыки проектирования и принципов работы
устройств, обрабатывающих дискретные (цифровые) сигналы, а также использования цифровых компонентов и логических элементов, овладеет знаниями в
области использования активных и пассивных электронных компонентов, таких
как резисторы, конденсаторы, транзисторы, операционные усилители и логические элементы, применения аналоговых и цифровых схем в различных устройствах и системах, включая системы управления, связи и автоматизированных
систем.
Учебное пособие составлено на основе материалов изданий К. Бриндли,
В.Е. Полякова, В.А. Суханова, Х.М. Гаджиева, С.М. Гаджиевой, Т.А. Челушкиной, А.В. Калиниченко, Н.В. Уварова, В.В. Дойникова.
8
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ1
В настоящее время неотъемлемой частью любой технической системы
являются измерительные преобразователи. По терминологии Оксфордского
университета под измерительным преобразователем понимается прибор или
устройство, которое значению входной физической величины электрической
или неэлектрической природы ставит в однозначное соответствие значение выходной величины.
Выделяют два класса измерительных преобразователей:
• маломощные (информационные);
• силовые (исполнительные устройства).
Обобщенная структура системы управления может быть представлена в
виде:
Рис. 1.1. Обобщенная структура системы управления
На рис. 1.1 приняты следующие обозначения:
Д — датчик;
ИПi — измерительный преобразователь i = 1 2;
БССi — блок согласования сигнала i = 1 4;
ЛСi — линия связи i = 1 2;
И — индикатор;
Р — регулятор;
ИУ — исполнительное устройство;
н у — начальные условия.
Измеряемая величина — подлежащая измерению физическая величина
неэлектрической (ускорение, сила, перемещение, расход, влажность и т.д.) или
электрической (напряжение, ток, мощность, частота) природы. Измеряемая ве-
1
URL: https://myrepititor.ru/sau/non-electric-conversation/struktura-sistemy-upravleniya (дата обращения:
11.08.2025); Бриндли К. Измерительные преобразователи: справочное пособие / пер. с англ. М.: Энергоатомиз-
дат, 1991.
9
личина преобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в
других частях системы.
Измерительный преобразователь — в системах, использующих для передачи информации электрические сигналы, рассматривается как электронное
устройство.
Входной преобразователь — устройство, преобразующее входную из-
меряемую физическую величину, как правило, неэлектрической природы в изменение электрического параметра (сопротивления, емкости, тока, заряда,
напряжения). Часто данное устройство называется датчиком. Различают пас-
сивные преобразователи, которые при своей работе используют энергию измеряемой физической величины, и активные преобразователи, для работы
которых необходимо наличие внешнего источника энергии.
Линии связи — это каналы передачи информации между объектовой и
терминальной частями системы. В качестве каналов могут быть использованы
электрические линии связи, ультразвуковой, радио или оптический каналы.
Регулятор — прибор, относящийся к классу компарирующих в смысле
сравнения текущих значений измеряемой физической величины с ее заданным
или желаемым значением. Регулятор вырабатывает сигналы, соответствующие
управляющим решениям.
Исполнительное устройство (силовой измерительный преобразователь) — устройство, воздействующее на физические параметры управляемого
объекта с целью получения заданного качества протекания процессов.
Максимально допустимая измерительная погрешность — отклонение
между истинным и измеренным значениями физической величины. Выражается
в процентах по отношению к максимальному значению измеряемой величины
на данном пределе измерения и определяет класс точности измерительного
преобразователя (прибора).
Разрешающая способность — наибольшая точность, с которой можно
произвести измерения. Определяется характеристиками отсчетного устройства
индикатора.
Чувствительность — характеризуется масштабным коэффициентом, который определяется отношением изменения выходной величины измерительного преобразователя к вызвавшему его изменению входной величины. Увеличение масштабного коэффициента соответствует повышению чувствительности
прибора.
Линейность преобразователя (см. рис. 1.2) — характеризует пропорциональность изменения входной (X) и выходной (Y) величин во всем диапазоне
10
измерения. Линейность преобразователя определяется статической передаточной характеристикой. Под статической передаточной характеристикой понимается зависимость выходной величины измерительного преобразователя от медленно меняющейся входной величины.
Y
X
Рис. 1.2
Для измерительных преобразователей с гистерезисным видом передаточной характеристики о линейности преобразования можно говорить лишь для
средних или действующих значений измеряемой величины.
Повторяемость значений для преобразователей с безгистерезисной передаточной характеристикой предполагает, что одним и тем же значениям
входного измеряемого параметра соответствуют одни те же значения выходного. Однако в процессе эксплуатации измерительного преобразователя в силу
воздействия дестабилизирующих факторов внешней среды (температуры, излучения, старения элементов и т. д.) повторяемость значений может нарушаться.
При этом преобразователь должен быть подвергнут тарировке (настройке и регулировке с целью восстановления однозначности показаний).
Временной отклик преобразователя — характеризует реакцию выхода
преобразователя на скачкообразное изменение измеряемой величины. На рис. 1.3
изображены основные величины, характеризующие переходный процесс.
Y/Y0 t
X
t0 t1 t2 t
3
1,0 0,9 0,1
Y/Y
0
5%
Рис. 1.3. t0 — начальный момент времени; t1–t0 — время запаздывания;
t2–t0 — время нарастания; t3–t0 — время установления
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]