СРЕДНЕЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАНИЕ

З.А. ХРУСТАЛЁВА

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

Рекомендовано

ФГУ «Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования

в учебном процессе образовательных учреждений,

реализующих программы среднего профессионального образования

УДК 621.3(075.32)

ББК 31.294.9я723 Х95 Рецензенты:

А.В. Кочергина, преподаватель спецдисциплин Московского технического колледжа, В.А. Гурьев, начальник отдела НПО им. С.А. Лавочкина Хрусталёва З. А.

Х95 Электротехнические измерения : учебник / З. А. Хрусталёва. — М. :

КНОРУС, 2011. — 208 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-406-00353- Изложены основы электротехнических измерений, принципы и методы измерения электрических и электронных величин, характеризующих параметры сигналов, цепей, полупроводниковых приборов. Рассмотрены основные метрологические характеристики средств измерений. Приведены структурные схемы измерительных приборов. Рассмотрены оценка и анализ погрешностей измерения и способы их уменьшения.

Для студентов техникумов и колледжей, обучающихся по специальности «Вычислительные машины, системы, сети и комплексы» (230101) и «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей» (230104).

УДК 621.3(075.32) ББК 31.294.9я Хрусталёва Зоя Абдулвагаповна

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.60.953.Д.003365.04.09 от 01.04.2009 г.

Изд. № 930. Подписано в печать 31.03.2010. Формат 6090/16.

Гарнитура «PeterburgC». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 13,0. Уч.изд. л. 7,6. Тираж 2000 экз. Заказ №.

ООО «Издательство КноРус».

129110, Москва, ул. Большая Переяславская, 46, стр. 7.

Тел.: (495) 6807254, 6800671, 6801278.

Email: [email protected] http://www.knorus.ru Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного издательством электронного оригинал-макета в ОАО «Можайский полиграфический комбинат».

143200, Московская область, г. Можайск, ул. Мира, д. Хрусталёва З. А., ООО «Издательство КноРус», ISBN 978-5-406-00353-

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................... Введение...................................... ГЛАВА 1. Основные сведения о метрологии 1.1. Основы теории и практики измерений...................... 1.2. Основы теории погрешностей........................... Контрольные вопросы.................................. ГЛАВА 2. Средства электротехнических измерений 2.1. Особенности цифровых измерительных приборов.............. 2.2. Измерительные генераторы............................. 2.3. Электронные осциллографы............................ Контрольные вопросы.................................. ГЛАВА 3. Измерение основных электротехнических параметров 3.1. Измерение силы тока................................. 3.2. Измерение напряжения............................... 3.3. Измерение мощности................................ Контрольные вопросы................................. ГЛАВА 4. Измерение параметров элементов цепей 4.1. Общие сведения................................... 4.2. Метод амперметра—вольтметра......................... 4.3. Мостовой метод................................... 4.4. Метод дискретного счета............................. 4.5. Резонансный метод................................. Контрольные вопросы................................. ГЛАВА 5. Измерение параметров сигнала 5.1. Общие сведения................................... 5.2. Измерение частоты и периода повторения сигнала............. 5.3. Измерение фазового сдвига............................ 5.4. Измерение коэффициента нелинейных искажений............. 5.5. Измерение амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников................................ Контрольные вопросы................................. ГЛАВА 6. Измерение параметров полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных микросхем 6.2. Измерение параметров полупроводниковых диодов............ 6.3. Измерение параметров биполярных и униполярных транзисторов... 6.4. Измерение параметров интегральных микросхем.............. 6.5. Логические анализаторы............................. ГЛАВА 7. Автоматизация электротехнических измерений Приложения Приложение 1. Электрические единицы измерения, Приложение 2. Условные обозначения на шкалах Приложение 3. Сведения об аналоговых электронных вольтметрах Приложение 4. Таблица децибел и отношений напряжений (токов)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий учебник предназначен для студентов средних профессиональных учебных заведений приборостроительных специальностей электронного профиля. В учебнике изложены основы теории электрических и электронных измерений (радиоизмерений), методы измерения электрических величин, используемых в электронике, рассмотрены средства измерения, а также приведены основные метрологические характеристики приборов, позволяющие из многообразия измерительных средств выбрать оптимальные для выполнения реальных метрологических задач.

Учебник написан в соответствии с действующей примерной программой Государственного образовательного стандарта и входит в блок учебных пособий по предмету «Электротехнические измерения». Ранее издательством «КноРус» выпущены лабораторный практикум и сборник задач того же автора. Материал основан на многолетнем опыте преподавания названной дисциплины и изложен в доступной форме с учетом последних достижений в области электротехнических измерений. Для проверки полученных знаний после каждой главы приведены контрольные вопросы.

Автор выражает глубокую признательность рецензентам А.В. Кочергиной и В.А. Гурьеву за ценные замечания, высказанные на этапе рецензирования рукописи.

Отзывы и предложения по содержанию настоящего учебника следует направлять по адресу: 129110, Москва, Б. Переяславская, 46, стр. 7, ООО «Издательство КноРус».

Принятые сокращения АИМС — аналоговая интегральная микросхема АИП — аналоговый измерительный прибор АМ — амплитудная модуляция АПП — автономные программируемые приборы АРУ — автоматическая регулировка усиления АЦП — аналого-цифровой преобразователь АЧХ — амплитудно-частотная характеристика ВАХ — вольт-амперная характеристика ГВЧ — генератор высоких частот ГЗЧ — генератор звуковых частот ГЛИН — генератор линейно-изменяющегося напряжения ГНЧ — генератор низких частот ГС — генератор сигналов ГСВЧ — генератор сверхвысоких частот ГСП — государственная система приборов ГСС — генератор стандартного сигнала ГУЗЧ — генератор ультразвуковых частот ЗУ — запоминающее устройство ИВК — измерительно-вычислительный комплекс ИГ — измерительный генератор ИЗЧ — инфразвуковые частоты ИИС — информационно-измерительная система ИМС — интегральная микросхема КВО — канал вертикального отклонения луча КГО — канал горизонтального отклонения луча КИС — компьютерно-измерительная система КСВ — коэффициент стоячей волны ЛА — логический анализатор МПК — микропроцессорный контроллер ООС — отрицательная обратная связь ПЗУ — постоянное запоминающее устройство ПК — персональный компьютер — положительная обратная связь РА — радиоаппаратура РЭА — радиоэлектронная аппаратура СВЧ — сверхвысокие частоты СИ — синхроимпульсы — ультразвуковые частоты УПТ — усилитель постоянного тока — устройство управления — фазовая автоподстройка частоты ФВ — фазовращатель ФВЧ — фильтр верхних частот ФНЧ — фильтр нижних частот — цифро-аналоговый преобразователь ЦИМС — цифровая интегральная микросхема ЦИП — цифровой измерительный прибор ЧМ — частотная модуляция ШУ — широкополосный усилитель ЭВ — электронный вольтметр ЭВМ — электронная вычислительная машина ЭЛТ — электронно-лучевая трубка ЭО — электронный осциллограф ЭЧ — электронный частотомер Условные обозначения — цена деления (постоянная прибора) кш — пересчетный коэффициент шкалы в многопредельном приборе — показание образцового прибора (истинное значеАи д — действительная относительная погрешность пр — приведенная относительная погрешность k1, k2, …, kn — показатели степени — энергия, запасенная катушкой индуктивности — максимальное значение измеряемого параметра — минимальное значение измеряемого параметра — удельное сопротивление по постоянному току — удельное сопротивление по переменному току — измеряемое сопротивление резистора «0» — установка показаний индикатора на нуль UdВ — цена деления масштабной сетки осциллографа по — цена деления масштабной сетки осциллографа по — чувствительность осциллографа по каналу Y — чувствительность осциллографа по каналу X — значение параметра сигнала по вертикали на экране — значение параметра по горизонтали на экране — линейный размер параметра по вертикали в делеnв ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа — линейный размер параметра по горизонтали в делеnг ниях (клетках) масштабной сетки осциллографа АU (kU) — коэффициент усиления по напряжению — уровень логического нуля (значение напряжения U1 — уровень логической единицы (значение напряжения в единице) h21Б(h21Э) — коэффициент передачи тока в схеме с общей базой — обратный ток коллектора (ток неосновных носитеIсво h fгр U01 (U02) — выходное напряжение на первом (втором) выходе U10 (Uсм) — напряжение смещения ИМС — среднеквадратичное значение синусоидального наU

ВВЕДЕНИЕ

Человек стал измерять параметры материального мира еще в доисторические времена. В процессе развития торговли, ремесел, техники, промышленности роль измерений возрастала, и сегодня научнотехнический прогресс без измерений невозможен.

Исторические документы свидетельствуют о том, что по мере развития человечества возникало и возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (процесса, явления, вещества). Для получения такой информации и необходимы измерения, правильность выполнения которых обеспечивает достоверный результат.

Без проведения широкого комплекса измерений неосуществим научный поиск, проектирование и изготовление любого сооружения или изделия (здания, плотины, станка, самолета, ракеты и т.д.).

Важное значение измерений для науки подчеркивали многие ученые мира во все времена. Галилео Галилей говорил: «Измеряй все доступное измерению и делай доступным все недоступное ему». Макс Планк отмечал: «В физике существует только то, что можно измерить». Основоположник отечественной метрологии Д.И. Менделеев значение и роль измерений для науки сформулировал так: «В природе мера и вес — суть главное оружие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры». Физика и химия стали науками лишь тогда, когда были найдены точные единицы учета, познаны законы их развития. Электричество, например, стало достуным для изучения и применения после установления вольт и ампер.

Проверка правильности показаний измерительных приборов и средств измерений была, есть и будет важнейшей задачей пользователей. Значимость поверки измерительных инструментов подтверждается дошедшими до нас фактами из истории. В Древней Бухаре (Средняя Азия) в XVII в. уже следили за правильностью мер веса и длины.

Очевидец об этом рассказывал так: «Вот едет худой старец в большой белоснежной чалме, в богатом парчовом халате. Под ним хороший конь с богатой сбруей, золоченое седло и посеребренные стремена. За ним следуют быстрым шагом девять здоровых молодых людей с палками.

Это едет блюститель меры веса и длины на базарах, суровый цензор нравственности "правоверного города". Среди базарного люда — замеВведение шательство и любопытство. Вот блюститель въезжает в ряд шелковых тканей, где сидят купцы, важные и степенные. Он поравнялся с одной из лавок, попридержал коня и слегка кивнул головой на торговца. Моментально к тому подбегает кто-нибудь из слуг блюстителя с образцом базарного аршина и, сравнив последний с тем, что было у купца, быстро возвращается к раису (блюстителю) и показывает, что газ (мера длины) купца несколько короче установленного образца. Блюститель называет одну какую-либо цифру (но всегда нечетную), например одиннадцать. Тогда к продавцу приближаются двое слуг блюстителя с палками. Один сталкивает его с прилавка и быстро вскидывает себе на спину, другой закидывает ему халат и рубашку на голову и, спустив штаны, начинает наносить палкой удары. Если виновный кричит, то счет палочных ударов начинают снова с того удара, при котором наказуемый перестал кричать. По окончании экзекуции продавец, обливаясь горькими слезами от боли и стыда, с волочащимися по земле штанами, подходит к блюстителю и целует ему руку. Преступление обнаружено и преступник наказан. Блюститель едет дальше...».

Невозможно и, пожалуй, не нужно искать конкретные даты возникновения электронных измерений, или радиоизмерений. Изобретатель радио А.С. Попов с полным правом может и должен считаться родоначальником науки о радиоизмерениях. Им создан первый радиоизмерительный прибор — грозоотметчик.

Первая в России лаборатория, изготовлявшая радиоизмерительные приборы, организована в 1913 г. академиком М.В. Шулейкиным, а в 1918 г. эта работа была продолжена и расширена коллективом Нижегородской лаборатории.

Сами технологические процессы в настоящее время в значительной мере состоят из измерительных операций. Например, для изготовления современного авиационного двигателя нужно выполнить более 100 тыс. различных технологических операций, почти половина из которых — контрольные, связанные с теми или иными измерениями.

Разнообразные измерения повседневно количественно характеризуют окружающий нас мир, раскрывают действующие в нем закономерности. В России ежеминутно выполняются миллионы измерений с помощью огромного парка измерительных приборов — от знакомых каждому торговых весов до сложнейших информационноизмерительных систем.

Можно выделить три главные функции измерений в современном мире:

• контроль и регулирование технологических процессов;

• контроль физических величин, технических параметров, характеристик процессов при научных исследованиях;

• учет продукции при различных формах хозяйствования.

Высокая точность при управлении космическими полетами во многом достигнута благодаря постоянному совершенствованию средств и методов измерений.

В США 50% ассигнований на космические исследования составляют затраты на измерительную технику. В России 25% бюджета электронной, авиационной и химической промышленности составляют затраты на измерительную технику для этих областей.

Особое место в настоящее время отводится измерениям в борьбе за экономию ресурсов и повышение качества продукции, а также при проведении сертификационных испытаний.

Электротехнические измерения широко используются во многих сферах жизни:

• медицине (компьютерная томография, кардиографы и многое другое);

• торговле (весовая измерительная база, терминалы);

• службе ГИБДД (определение скорости перемещения автомобиля, основанное на эффекте Доплера);

• службе времени (разнообразные часы);

• быту (счетчики для учета расхода воды, электроэнергии, тепла).

Широкое использование электротехнических измерений в смежных отраслях, например в микроэлектронике для оценки изделий и технологических процессов, решает проблемы повышения качества продукции, а качество в условиях рыночной экономики является важнейшим показателем конкурентоспособности любого изделия.

Одно из главных направлений развития современной измерительной техники — переход на цифровые методы с использованием приборов с цифровым отсчетом, автоматизация измерений и дальнейшее развитие компьютерно-измерительных систем (КИС), в частности, их разновидности — виртуальных измерительных приборов.