Методы построения точных электронных устройств

В.Г. Гусев, Т.В. Мирина 

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ
ТОЧНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ 

Учебное пособие
4-е издание, стереотипное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по направлению подготовки 
«Техническая физика»  

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2017

УДК 681.2(075.8)
ББК 34.96я73 
Г96 

Гусев. В. Г.
Г96      Методы построения точных электронных устройств     
[Электронный ресурс]: учеб. пособие / В.Г. Гусев, Т.В. Мирина; 
науч. ред В.С. Фетисов – 4-е изд., стер. – М.: ФЛИНТА, 2017. –
268 с. 

ISBN 978-5-9765-1519-2 

Излагаются сведения о методах и приемах, используемых для 
построения точных электронных измерительных устройств. Приведены 
инновационные материалы о способах построения высокоэффективных 
преобразователей электрических величин. 
Предназначено для студентов приборостроительных специальностей 
высших учебных заведений. 

Научный редактор: д-р техн. наук, проф. В.С. Фетисов 

УДК 681.2(075.8)
ББК 34.96я73  

ISBN 978-5-9765-1519-2 
© Издательство «ФЛИНТА», 2017 

ВВЕДЕНИЕ

При 
построении 
точных 
электронных 
устройств, 

предназначенных для измерения и обработки информации, наиболее 
сложно 
обеспечить 
получение 
требуемых 
метрологических 

характеристик. Так, если при измерениях на постоянном токе, где 
возможно 
применение 
приборов, 
не 
содержащих 
активных 

компонентов электроники, удается создать установки, погрешности 
которых не превышают тысячных-стотысячных долей процента, то 
при измерениях переменных напряжения и тока, где без активных 
компонентов электроники обойтись практически нельзя, погрешность 
оценивается десятыми-сотыми долями процента (при частотах менее 
1 МГц) и процентами и десятками процентов при достаточно высоких 
частотах информационного сигнала. Причем такие метрологические 
характеристики считаются очень хорошими. Для их получения 
приходится использовать весь известный комплекс методов и 
приемов улучшения метрологических характеристик электронных 
измерительных устройств.

Это обстоятельство обусловлено тем, что при построении 

электронных 
измерительных 
преобразователей 
приходится 

применять 
компоненты 
радиоэлектронной 
аппаратуры 
(РЭА), 

параметры 
которых 
имеют 
большой 
разброс 
(в 
20200%), 

изменяются
в 
течение 
значительных 
промежутков 
времени 

вследствие их старения, изменяются при колебаниях температуры 
окружающей среды.

Поэтому задача создания электронных измерительных приборов 

и устройств сводится к нахождению такого технического решения, 
при котором 
при 
использовании существенно 
нестабильных, 

нелинейных и температурозависимых компонентов удается получить 
требуемые 
статические, 
динамические 
и 
метрологические 

характеристики преобразования электрического сигнала. Процесс 
выбора метода и приемов, обеспечивающих получение желаемых 
параметров и характеристик, относится к числу эвристических. Он 
плохо поддается формализации в связи с тем, что итоговые 
результаты зависят от большого количества разнородных факторов, 
не 
связанных 
между 
собой 
какими-либо 
однозначными 

зависимостями.

Поэтому при проектировании достаточно точных электронных 
устройств или его функциональных узлов необходимо хорошо 
представлять 
себе, 
какие 
существуют 
типовые 
подходы 
к 
уменьшению влияния тех или иных факторов, вследствие действия 
которых появляются погрешности преобразования, и какие методы и 
подходы применяются в различных случаях. 
Несмотря на то, что задача повышения точности электронных 
преобразователей измерительных сигналов является традиционной и 
в процессе ее решения накоплен большой опыт, он в достаточной 
степени не обобщен. Как правило, соответствующие методы и 
приемы разработаны применительно к группе электронных устройств 
определенного 
целевого 
назначения 
или 
изложены 
в 
монографической литературе в качестве самостоятельного метода, 
плохо связанного с другими известными.  
Поэтому задачей, которую ставили авторы при подготовке 
настоящей книги, являлось обобщение сведений об известных 
методах 
повышения 
точности 
электронных 
устройств, 
преобразующих электрические измерительные сигналы, и изложение 
их с единых позиций, дающих общее представление об их 
технических возможностях. 
В связи с принятием Государственной Думой закона «Об 
обеспечении единства измерений» содержание книги переработано. 
Материал, касающийся закона, изложен во второй главе. Замечания и 
неточности исправлены. Введена новая восьмая глава, в которой 
приведены сведения о методах точного измерения сопротивлений. 
Пособие предназначено для студентов приборостроительных 
специальностей 
вузов 
и 
инженерно-технических 
работников, 
занимающихся созданием измерительной аппаратуры различного 
целевого назначения и электронных преобразователей электрических 
сигналов. 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕРМИНАХ, 

ПАРАМЕТРАХ И ХАРАКТЕРИСТИКАХ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1.1. Некоторые термины и определения,

используемые в метрологии

Термины, 
параметры 
и 
определения, 
используемые 
при 

описании 
свойств 
высокоточных 
устройств, 
однозначно 

сформулированы 
в 
той 
области 
науки, 
которая 
называется 

метрологией. Для однозначности их понимания и исключения 
произвольных 
толкований 
разработаны 
рекомендации 
по 

межгосударственной 
стандартизации 
РМГ 29-99, 
которым 

целесообразно следовать в практической деятельности, а именно: во 
всех видах документации; в научно-технической, учебной и 
справочной литературе.

В данном разделе рассмотрим основные рекомендуемые 

термины и определения.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах 

обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Она условно может быть разбита на три части:

теоретическая метрология (фундаментальные основы);


законодательная метрология (технические и юридические 

требования по применению единиц физических величин эталонов, 
методов и средств измерений, направленные на обеспечение 
необходимой точности и единства измерений);


практическая
(прикладная) метрология
(практическое 

применение 
положений 
теоретической 
и 
законодательной 

метрологии).

Физическая величина – характерный признак явления тела или 

вещества, который может выделяться качественно и определяться 
количественно.

Значение физической величины – выражение размера физической 

величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Действительное значение физической величины – значение, 

полученное экспериментальным путем и настолько близкое к 
истинному значению, что может быть использовано вместо него.

Физический параметр – физическая величина, рассматриваемая 

при измерении данной физической величины как вспомогательная. 
Например, при измерении переменного электрического напряжения 
частота тока рассматривается как параметр напряжения.

Влияющая физическая величина
–
физическая величина, 

оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) 
результат измерений.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.
Многократное измерение – измерение физической величины 

одного и того же размера, результат которого получен из нескольких 
следующих друг за другом измерений.

Статическое измерение – измерение физической величины, 

остающейся неизменной в течение времени измерения.

Динамическое измерение – измерение физической величины, 

изменяющейся по размеру.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение 

физической величины получают непосредственно.

Косвенное измерение – одновременное измерение нескольких 

одноименных величин, функционально связанных с искомой 
величиной.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения 

нескольких одноименных величин и определение искомой путем 
решения системы уравнений, в которые они входят.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения 

двух или нескольких неодноименных величин для определения 
зависимости между ними.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное 

для 
измерений, 
имеющее 
нормированные 
метрологические 

характеристики.

Измерительный преобразователь – техническое средство с 

нормированными метрологическими характеристиками, служащий
для преобразования измеряемой величины в другую, удобную для 
обработки, хранения, индикации или передачи.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный 

преобразователь, 
на 
который 
непосредственно 
воздействует 

измеряемая физическая величина.

Датчик – конструктивно обособленный блок, содержащий, в 

том числе, первичный измерительный преобразователь.

Поверка средств измерений – установление пригодности к 

применению 
средств 
измерений 
на 
основе 
результатов 

экспериментально определяемых метрологических характеристик и 
подтверждение
их 
соответствия 
установленным 
обязательным 

требованиям, проводимые официально установленным органом.

Первичная поверка средств измерений – поверка, выполняемая 

при выпуске или после ремонта или ввоза из-за границы средства 
измерений.

Средства 
поверки
–
эталоны, 
поверочные 
установки, 

применяемые при поверке.

Тип средства измерений – совокупность средств измерений 

одного и того же назначения, основанных на одном и том же 
принципе
действия, 
имеющих 
одинаковую 
конструкцию 
и 

изготовленных по одной и той же технической документации.

Метрологическая исправность средств измерений – состояние 

средств измерений, при котором все нормируемые метрологические 
характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологическая надежность средств измерений – надежность 

средства измерений в части сохранения его метрологической 
исправности.

Метрологический 
отказ 
средств 
измерений
–
выход 

метрологических характеристик за установленные пределы.

Воспроизводимость результатов измерений – близость между 

собой результатов измерений одной и той же величины, полученных 
в разных местах, разными методами, разными средствами, в разное 
время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений.

Поверочная 
установка
–
измерительная 
установка, 

укомплектованная 
рабочими 
эталонами,
предназначенная 
для 

решения задач поверки.

Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи 

размера рабочим средствам измерений. Старое название – образцовое 
средство измерения.

Измерительная цепь
–
совокупность средств измерений, 

образующих 
непрерывный 
путь 
прохождения 
измерительного 

сигнала одной физической величины от входа до выхода.

Точность результата измерений – одна из характеристик 

качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности 

результата измерения. Считается, что чем меньше погрешность 
измерения, тем больше точность.

Неопределенность 
измерений
–
параметр, 
связанный 
с 

результатом измерений, характеризующий рассеяние значений, 
которые можно приписать измеряемой величине. Неопределенность 
состоит из многих составляющих. Некоторые из них могут быть 
оценены 
экспериментально 
определенными 
отклонениями 
в 

статистически определенной серии результатов. Другие могут быть 
оценены отклонениями, полученными из эксперимента или другой 
информации. Параметр может быть стандартным отклонением или 
числом кратным ему или составлять половину интервала, имеющего 
указанный доверительный уровень.

Нормальные 
условия 
измерений
–
условия 
измерения, 

характеризующие такие значения влияющих величин, при которых 
пренебрегают влиянием их изменения на полученные результаты
ввиду их малости.

Поправка – значение величины, вводимой в результат измерения 

с целью исключения систематической погрешности.

1.2. Параметры и характеристики, нормируемые или 

оцениваемые у электронных устройств, 
предназначенных для преобразования 
измерительных сигналов

Измерительным преобразователем
(ИП) принято называть 

устройство, в котором с известной нормированной точностью 
осуществляется преобразование входной величины или нескольких 
величин в выходной сигнал, который связан со входной величиной 
(или величинами) определенной математической зависимостью, 
называемой функцией преобразования. В соответствии с этим 
определением термином "измерительный преобразователь" можно 
характеризовать любое устройство без отсчетного приспособления, 
имеющее нормируемую погрешность функции  преобразования. 
Функции преобразования бывают различными. В простейших 
случаях они линейны и имеют вид

KX
Y 
,

где Y – выходной сигнал, X – входной сигнал, К – функция 
преобразования.

В более сложных случаях в измерительном преобразователе 

могут реализоваться зависимости, для получения которых в нем 
выполняются математические вычислительные операции, например:

 


 








1

0

2
1

t

dt
t
x
f
t
d
t
x
f
K
y
(1.2)

или

 





3
3

2
2
1
1

x
f

x
f
x
f
y


.
(1.3)

В зависимости от того, какой характер имеют входные и 

выходные величины и какие операции выполняются внутри ИП, их 
можно подразделить на:


аналоговые;


модуляционные с преобразованием спектра сигнала;


аналого-цифровые (АЦП);


цифро-аналоговые (ЦАП);


с 
выполнением 
внутри 
логических, 
математических, 

вычислительных операций;


интеллектуальные, параметры и характеристики которых 

адаптируются под преобразуемый сигнал.

У любого ИП важнейшей характеристикой является статическая 

градуировочная кривая «выход-вход», которая в соответствии с 
ГОСТ 8.508-84 
называется 
статической 
характеристикой 

преобразования
или градуировочной характеристикой средства 

измерения РМГ 29-99. Статической ее называют потому, что при ее 
определении параметр входного сигнала, который преобразуется с 
помощью ИП, изменяют с малой скоростью, так, чтобы на результат 
преобразования (выходной сигнал) не оказывали влияние переходные 
процессы установления, которые происходят в любом ИП.

Статическую характеристику преобразования f (x) находят 

путем калибровки (тарировки) ИП. Это операция многократного 
установления соответствия между выходной и входной величинами 
при разных уровнях входного сигнала и определения на основе этих 
данных наиболее вероятного значения функции преобразования.

Для электронных
ИП обычно нормируется номинальная 

статическая характеристика преобразования – fн(x) (ГОСТ 8.009-84).

Отличие статической характеристики конкретного
ИП от 

нормированной 
номинальной 
статической 
характеристики 

характеризуется систематической погрешностью 
c
 . Математическое 

ожидание ее 


c

M
описывается уравнением



 
 
x
f
x
f
M
н
c



.
(1.4)

Так как статическую характеристику f (х) получают путем 

многократных 
измерений и 
последующей их обработкой, в 

результате которой исключается случайная погрешность, характерная 
для отдельной реализации измерительной операции f1 (х)

 

 

n

x
f

x
f

n

i


1

1

,
(1.5)

то f (х) по существу есть математическое ожидание (наиболее 
достоверное значение) этой характеристики.

Получение систематической погрешности меньшей заданного 

значения является важнейшей задачей настройки и калибровки 
электронных преобразовательных устройств. Поэтому при их 
проектировании 
приходиться 
предусматривать 
элементы, 

позволяющие выполнить подстройку статических характеристик 
конкретного ИП под требуемую номинальную характеристику.

На 
практике 
математическое 
ожидание 
систематической 

погрешности часто называют просто систематической погрешностью. 
Разница между этими терминами чисто понятийная. Дело в том, что 
полностью исключить случайную погрешность у ИП невозможно. 
Она всегда будет иметься и будет вносить погрешность в значение 
функции 
преобразования 
f (х). 
Поэтому 
определенные 

экспериментально 
статическая 
характеристика 
и 
функция 

преобразования f (х) хоть на ничтожно малую величину, но все же 
отличаются от действительно существующих. Поэтому приходиться 
говорить о математических ожиданиях этих характеристик и 
систематической погрешности.

Статическая характеристика и функция преобразования обычно 

нормируются для нормальных условий. В тех случаях, когда из-за 
условий 
работы 
появляются 
погрешности, 
соизмеримые 
или 

большие, чем погрешности, нормированные для нормальных условий 
работы, дополнительно нормируют функцию влияния Ψ(ζ) или 
наибольшее допустимое изменение 
 
δ
l

. Во многих случаях эти