12.3. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
12.3. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Начало качественно нового этапа развития электроизмерительной техники связано, в первую очередь, с зарождением и развитием радиоэлектроники. Проникновение элементной базы и научных идей радиоэлектроники в измерительную технику привело к созданию радиоизмерительных приборов: электронно-лучевых осциллографов, электронных вольтметров, омметров, частотомеров, фазометров и ваттметров, измерительных усилителей и генераторов, анализаторов спектра и т.д. Применение радиоизмерительных приборов позволило резко расширить динамический и частотный диапазоны измерения электрических и магнитных величин, а также создать разнообразные измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические с высокими метрологическими характеристиками.
Первые научные открытия, положившие начало современной осциллографии, были сделаны в конце XIX в. Однако прежде чем осциллограф стал широко распространенным средством измерений, должно было пройти полвека. Нужно было преодолеть массу трудностей, связанных с получением требуемого вакуума, фокусировкой электронного луча и управления им, обеспечением достаточной яркости изображения, построением генераторов развертки, усилителей и т.д.
Одним из первых был построен осциллограф с тлеющим светом, запатентованный в 1904 г. немецким ученым Г. Герке. В нем использовалась стеклянная трубка длиной 275 диаметром 35 мм, заполненная азотом, в которой помещались два электрода длиной по 60 и шириной 10 мм. Было эмпирически установлено, что над электродом, который в данный момент служит катодом, появляется свечение в виде тонкой линии, длина которой пропорциональна мгновенной силе тока. Длина светящегося отрезка при токе 60 мА составляла примерно 50 мм. За счет снижения яркости можно было повышать чувствительность путем уменьшения давления газа в трубке.
Развертка изображения осуществлялась с помощью вращающегося зеркала; частота вращения достигала 200 об/с. Позже были разработаны другие конструкции данного осциллографа с частотным диапазоном до 1 МГц. Однако из-за низкой точности и ряда других серьезных недостатков этот прибор не выдержал конкуренции с катодным осциллографом — будущим аналоговым электронно-лучевым осциллографом.
Первые катодные осциллографы строились на основе трубки Брауна. Электронно-лучевые приборы с термоэлектронными катодами появились существенно позже, в 30-х годах XX в. Для обеспечения развертки в первых электронных осциллографах применялся вращающийся зеркальный барабан или движущаяся фотопленка, как в светолучевых (шлейфовых) осциллографах.
Однако вскоре начали использовать современные методы: развертку с помощью вспомогательного синусоидального или линейно изменяющегося напряжения соответствующей частоты.
Так, в 1924 г. фирма «Вестерн электрик» (США) в своем осциллографе применила в качестве генератора развертки генератор линейно изменяющегося напряжения на основе неоновой лампы с параллельно включенным конденсатором; при этом использовалось электростатическое отклонение луча как по вертикали, так и по горизонтали, как в большинстве современных осциллографов. Линейность развертки с помощью такого генератора оставляла желать лучшего. Позднее было предложено осуществлять заряд конденсатора, включенного параллельно горизонтально отклоняющим пластинам, через источник постоянного тока с высоким выходным сопротивлением, построенный на базе электронной лампы. Эта идея нашла широкое применение в генераторах развертки с высокой линейностью изменения выходного напряжения. Кроме того, в таких генераторах весьма просто решались вопросы синхронизации и осуществлялся режим ждущей развертки.
Малая интенсивность электронного пучка в осциллографах с трубкой Брауна не позволяла производить фотографирование экрана при исследовании быстро протекающих процессов, например блуждающих волн в электрических сетях. Эта трудность была преодолена в 1923 г. в осциллографе Дюфура, производство которого организовала фирма «Ш. Будуен» (Франция). В нем фотографическая пластинка помещалась в вакуум и подвергалась прямому воздействию электронного луча без посредства фосфоресцирующего экрана.
Осциллограф Дюфура (рис. 12.4) по внешнему виду мало напоминал современный. Это был громоздкий прибор без экрана, с вакуумной камерой в бронзовом корпусе, соединенной с трубкой Брауна. К нему подсоединялся вакуумный насос, приводившийся в действие после каждой смены фотопластинки. Тем не менее он позволил исследовать процессы с частотами до 1 ГГц; скорость записи достигала 10 мм/нс. Для экономного использования фотопластинки применялось два развертывающих напряжения: синусоидальное горизонтально отклоняющее и сравнительно медленно изменяющееся вертикально отклоняющее (сметание). При отсутствии исследуемого напряжения луч вычерчивал на фотопластинке несколько периодов синусоиды. Исследуемое напряжение высокой частоты, но сравнительно малого значения, записывалось на этой синусоиде.
Рис. 12.4. Осциллограф Дюфура (модель 1927 г.)
Некоторые технические характеристики осциллографа Дюфура были улучшены в двух осциллографах, разработанных в то же время в Германии, однако не выпускавшихся серийно. В первом из них в вакуумной камере можно было размещать несколько фотопластинок или фотопленку, что позволяло делать до 20 снимков. Пленка передвигалась с помощью электромагнитного устройства, так что откачивать камеру приходилось лишь после использования всей пленки. Процесс откачивания диффузионным насосом длился примерно 15 мин. Этим осциллографом удалось получить осциллограммы процессов пробоя изоляции длительностью от 1 до 10 не при напряжениях до 20 кВ.
Второй осциллограф был предназначен для регистрации естественных блуждающих волн, возникающих в случайные моменты времени, как это происходит в линиях электропередачи при атмосферных разрядах. Задача была решена в 1924–1926 гг. путем применения режима ждущей развертки, который осуществлялся с помощью электронного переключающего реле, собранного на двух электронных лампах.
Следует заметить, что для исследования блуждающих волн применялись не только осциллографические методы. Были построены специальные приборы — клиндографы (волнописцы).
Работа клиндографа основывалась на том, что при ударе искры, вызванной блуждающей волной, о фотографическую пластинку в ней возникает кистеобразная фигура, анализ которой позволяет получить информацию о параметрах волны. Эффект образования подобных фигур был известен с XVIII в., однако первые клиндографы были изготовлены только в 1924 г. фирмой «Вестингауз».
Конструктивно клиндограф представлял собой корпус, в который вставлялись три или четыре изолированных острия (по числу проводов линии электропередачи). Острия касались светочувствительной пленки, которая медленно передвигалась с помощью часового механизма. Для регистрации напряжений свыше 20 кВ использовались внешние делители напряжения.
С помощью клиндографов оказалось возможным устанавливать время появления, полярность и значения перенапряжений, форму фронта и направление блуждающей волны, промежутки времени между непосредственно следующими друг за другом разрядами. Технические характеристики клиндографов позволили, например, исследовать перенапряжения до 2 MB в трехфазной линии электропередачи напряжением 220 кВ. Разрешение по времени составляло 1 пс, что было недостижимо для осциллографов того времени.
Между тем электронные осциллографы продолжали совершенствоваться. Были разработаны электронно-лучевые трубки с термоэлектронными катодами, люминесцентными экранами, высококачественными магнитными и электростатическими линзами. Повышенная яркость изображения позволила отказаться от фотосъемок в вакууме. Применение измерительных усилителей и генераторов развертки привело к созданию осциллографов с калиброванными усилением и разверткой, ставших полноценными средствами измерений мгновенных значений напряжений и интервалов времени. Первый такой осциллограф (модель 511) был разработан в США Дж. Мердоком и X. Воллумом и выпущен в 1946 г. фирмой «Тектроникс» («Tektronix»).
В течение последующих 50 лет было разработано большое число осциллографов различного назначения: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, многоканальные, многолучевые и др. И только в 80-х годах аналоговые осциллографы начали постепенно вытесняться цифровыми, а также компьютерными средствами измерений.
Элементная база, необходимая для создания аналоговых электронных вольтметров, возникла и стала быстро развиваться с начала XX в.
Одной из первых 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 электромеханическими были высокое входное сопротивление при хорошей чувствительности на переменном токе; немаловажное значение имела также их высокая перегрузочная способность.
Для дальнейшего улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей электронных вольтметров и осциллографов требовалась разработка измерительных преобразователей и, прежде всего, измерительных усилителей. Первые такие усилители удалось построить в конце 20-х годов XX в. американскому ученому Х.С. Блэку.
Х.С. Блэк работал над созданием усилителей для протяженных телефонных линий связи. Из-за большого ослабления полезного сигнала в таких линиях приходилось включать последовательно много усилителей. Однако применение известных в то время усилителей на базе электронных ламп приводило к ограничению полосы пропускания и большим нелинейным искажениям сигнала.
Рис. 12.5. Структурная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжению
В 1927 г. Х.С. Блэк предложил усилитель с отрицательной обратной связью (ООС), построенный по общеизвестной в настоящее время схеме (рис. 12.5), согласно которой усилитель с коэффициентом усиления К охватывается звеном обратной связи с коэффициентом передачи ?. При больших значениях К? коэффициент усиления такого усилителя равен примерно 1/?, т.е. свойства такого усилителя, например его точность и частотный диапазон, определяются свойствами цепи ООС и мало зависят от значения K.
Идея ООС, глубоко изученная специалистами по теории автоматического управления, была известна очень давно. Еще в III в. до нашей эры идея ООС была описана Архимедом применительно к регулированию водяных часов. Однако изобретение Х.С. Блэка было признано с большим трудом.
Дело в том, что задолго до Х.С. Блэка для увеличения коэффициентов усиления усилителей и генерации колебаний широко использовалась положительная (регенеративная) обратная связь. Отрицательная (вырождающаяся) обратная связь уменьшала коэффициент усиления и считалась безусловно вредной. Поэтому к патентной заявке Х.С. Блэка эксперты отнеслись так же, как к заявке на вечный двигатель, и вынесли положительное решение только спустя 9 лет; первая публикация об изобретении появилась лишь в 1934 г. Очевидно, было очень трудно преодолеть психологический барьер, связанный с тем, что ООС уменьшает и без того малый коэффициент усиления, который практически достигался в то время в схемах на электронных лампах.
Действительно, первый операционный усилитель, т.е. усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, позволяющий строить измерительные преобразователи, функции и технические характеристики которых определяются в основном свойствами цепи ООС, был построен только в 1942 г. в США. Более совершенный операционный усилитель, выпускаемый как самостоятельное изделие, был разработан в США лишь в 1948 г.
Несмотря на непонимание и трудности начального этапа, теория усилителей с ООС, основы которой начали формироваться в 30-х годах в работах американских ученых Х.С. Блэка, X. Найквиста и Г.В. Боде, стала широко использоваться при разработке измерительных преобразователей, аналоговых, а затем и цифровых измерительных приборов и систем.
Проникновение идей теории автоматического управления и радиоэлектронной элементной базы в электроизмерительную технику позволило резко повысить качество и расширить номенклатуру средств измерений.
Были разработаны автоматические мосты и потенциометры (компенсаторы) постоянного и переменного тока для измерения электрических и неэлектрических величин, телеизмерительные системы, многофункциональные электронные измерительные приборы: мультиметры, осциллографы различного назначения, анализаторы спектра, электронные ваттметры, частотомеры и фазометры, измерительные усилители и генераторы, измерители параметров электрических цепей, приборы для измерения магнитных величин и т.д. В 30–50-х годах это были аналоговые электрорадиоизмерительные приборы и системы, построенные на базе электронных ламп, мировое производство которых достигало сотен миллионов штук в год.
В разработку этих приборов большой вклад внесли отечественные ученые К.Б. Карандеев, Л.Ф. Куликовский, Ф.Е. Темников и многие другие.
Использование радиоэлектронной элементной базы позволило увеличить чувствительность и точность средств измерений, существенно расширить их функциональные возможности. Например, был разработан ряд приборов, основанных на использовании эффекта Холла, которые позволили измерять магнитную индукцию не только в постоянных, но и в переменных, в том числе импульсных, магнитных полях. Без радиоэлектронной элементной базы было бы невозможно создание и других приборов для магнитных измерений, например приборов, использующих дифференциальные ферромодуляционные или ядерно-резонансные измерительные преобразователи.
Дальнейшее развитие аналоговой электроизмерительной техники было тесно связано с прогрессом в области электроники.
Появление в 50-х годах новой элементной базы — полупроводниковых приборов, начавших постепенно вытеснять электронные лампы, позволило уменьшить габариты и собственное потребление энергии, повысить надежность, улучшить метрологические характеристики аналоговых средств измерений. Этот процесс еще более усилился с развитием микроэлектроники и появлением интегральных схем. В середине 50-х годов были разработаны первые гибридные интегральные схемы, а в начале 60-х — монолитные интегральные схемы.
В те же годы в США была разработана планарная технология, которая позволила существенно улучшить технические данные транзисторов и легла в основу современных технологий изготовления интегральных схем.
Прогресс в области полупроводниковой электроники быстро отразился на электроизмерительной технике. Уже в 1959 г. американская фирма «Бур-Браун» («Burr-Brown») продавала первые операционные усилители на германиевых транзисторах. В 1960 г. в США был построен первый портативный полупроводниковый осциллограф, а в 1963–1965 гг. созданы первые монолитные интегральные схемы операционных усилителей (модели 702 и 709), явившиеся базой для создания многих узлов аналоговых и цифровых средств измерений.
Аналоговые электронные электроизмерительные приборы, отличающиеся надежностью, хорошими метрологическими характеристиками и низкой стоимостью, широко использовались в течение нескольких десятилетий и продолжают применяться в настоящее время. Так, ламповый мультиметр НР412А с прибором магнитоэлектрической системы на выходе оставался широко распространенным измерительным прибором до конца 70-х годов, а выпущенный в 1966 г. фирмой «Хьюлет-Пакард» («Hewlett-Packard») универсальный полупроводниковый осциллограф типа HP 180А оставался в производстве до 1986 г. Однако с 60-х годов аналоговые средства измерений стали постепенно вытесняться цифровыми.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.