Функциональные электронные узлы измерительных и диагностических систем

Т.В. МИРИНА, Н.В. МИРИН 

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ 
УЗЛЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И 
ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ 

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 34.96х73
       M63 

Мирина Т. В. 
М63 
 Функциональные 
электронные 
узлы 
измерительных и 
диагностических систем [Электронный ресурс]: учеб. пособие /
Т.В. Мирина, Н.В. Мирин.; науч. ред. В.Г.Гусев  –  4-е изд., стер. –
М.: ФЛИНТА, 2017. – 271 с. 

ISBN 978-5-9765-1518-5

Рассмотрены методы построения отдельных функциональных 
узлов измерительных и диагностических систем. Приведены варианты 
построения узлов и законченные блоки, предназначенные для 
обработки аналоговых сигналов. Приведена информация о современных, 
инновационных узлах обработки и преобразования сигналов. 
Предназначено для использования студентами приборостроительных 
специальностей высших учебных заведений. 

ISBN 978-5-9765-1518-5                   © Издательство «ФЛИНТА», 2017

Научный редактор: д-р техн. наук, проф. В.Г. Гусев 

УДК 681.2(075.8)
ББК 34.96х73

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время трудно найти область деятельности человека,

не связанную с использованием каких-либо электронных систем. В 
частности,
к электронным системам могут быть отнесены и 

измерительные системы. Любая электронная или измерительная 
система состоит из функциональных блоков, которые в свою очередь 
являются 
законченными 
электронными 
узлами
и 
могут 

использоваться 
с 
незначительными 
изменениями 
(например, 

изменение номиналов навесных элементов и их количества) в других 
электронных 
системах. 
Электронный 
узел, 
выполненный 
по 

конкретной электрической схеме, имеет определенные электрические 
параметры и характеристики и выполняет определенные функции или 
преобразования входного сигнала. Если еще несколько лет назад 
отдельные блоки приходилось собирать из дискретных элементов, то 
в настоящее время электронная промышленность достигла таких 
успехов, что микросхемы могут включать наборы элементов, которые 
соединяются между собой программированием микросхемы. Это 
значительно унифицирует разработанные схемы, т.е. одну и ту же 
микросхему можно применять в разных схемах для решения разных 
задач. Такие успехи в разработке электронных компонентов привели 
к минимизации как габаритных размеров самих микросхем, так и 
измерительных систем, которые строятся на их основе. Кроме того, 
этот 
же 
факт 
привел 
к 
значительному 
уменьшению 

электропотребления 
систем на основе новых микросхем по 

сравнению с такой же реализацией, но на дискретных элементах.

В пособии мы постарались рассмотреть как дискретные 

элементы, на основе которых строятся функциональные блоки, так и 
законченные функциональные блоки, выполняющие определенные 
функции обработки сигналов. Хотя в некоторых случаях трудно 
однозначно 
сказать,
что 
это 
–
дискретный 
элемент 
или 

функциональный блок.

В 
первой 
главе 
подробно 
рассмотрены 
операционные 

усилители, их характеристики, влияющие на выбор того или иного 
операционного усилителя при разработке функциональных блоков. 
Операционный усилитель является одним из главных элементов при 
построении блоков и систем. На его основе строятся схемы 
измерительных усилителей, активных фильтров, детекторов, всякого 

рода преобразователей (например, преобразователь сопротивления в 
напряжение или тока в напряжение) и пр. Кроме самих ОУ в главе 
рассмотрены схемы с их применением: усилители с гальванической 
развязкой; усилители с электронным управлением и регулировкой 
коэффициента передачи; функциональные узлы на основе ОУ.

Во второй главе описаны методы и особенности построения 

высокочастотных усилителей.

В третьей главе приведены типы шумов и рассмотрены методы 

их снижения. Особое внимание уделено специфике учитываемой при 
построении усилителей биопотенциалов.

Четвертая глава посвящена активным фильтрам на основе ОУ. В 

ней приведены описания типов фильтров и их назначение. Подробно 
рассмотрены схемы активных фильтров на ОУ, для каждой схемы 
приведены ее достоинства и недостатки, а также основные формулы, 
характеризующие схемы.

В пятой главе рассмотрены принципы разработки и основные 

схемы интеграторов и дифференциаторов.

В шестой главе приведены схемы, описания и характеристики 

схем преобразователей тока в напряжение и напряжения в ток.

Седьмая 
глава 
посвящена 
пиковым 
детекторам. 
В 
ней 

приведены как пассивные пиковые детекторы, так и активные – на 
базе ОУ.

В восьмой главе описаны компараторы напряжения. Даны 

основные понятия и параметры компараторов, рассмотрены вопросы 
повышения их помехоустойчивости. Также приведены практические 
схемы компараторов на ОУ и специализированных микросхемах.

В 
девятой 
главе 
рассмотрены 
генераторы 
сигналов 
–

синусоидальных, 
прямоугольных, 
треугольных. 
Приведены 

практические схемы генераторов, описание специализированных 
микросхем для получения сигналов разной формы.

Десятая глава посвящена таймерам. Хотя таймеры можно 

отнести и к генераторам сигналов, но было решено выделить их в 
отдельную главу. Таймеры предназначены для получения точных 
интервалов времени и в отличие от генераторов позволяют получать 
временные интервалы с длительностью до суток и лет. В главе 
рассмотрены 
варианты 
построения 
одновибраторов 
и 

мультивибраторов 
на 
основе 
специализированных 
микросхем 

таймеров.

В одиннадцатой главе представлена информация о схемах 
перемножения и деления электрических сигналов, приведены схемы 
построения перемножителей и делителей на дискретных элементах с 
использованием 
ОУ 
и 
на 
микросхемах 
универсальных 
перемножителей. В настоящее время схемы перемножения и деления 
сигналов находят широкое применение в решении вопросов 
снижения шумов – в схемах компрессоров и экспандеров. 
В 
двенадцатой 
главе 
рассмотрены 
вопросы 
фазовой 
автоподстройки частоты и построения синтезаторов частот на ее 
основе. 
Последняя, тринадцатая глава посвящена уникальному на 
сегодняшний 
момент 
творению 
в 
области 
электроники 
–

программируемым аналоговым интегральным схемам (ПАИС). ПАИС
уникальны тем, что позволяют коммутацией внутренних устройств, в 
которые могут входить ОУ, компараторы, источники образцового 
напряжения, АЦП, получить разнообразные схемы обработки и 
генерации сигналов. Области применения ПАИС безграничны. Кроме 
того, динамически программируемые ПАИС позволяют практически 
«на ходу» менять схемы обработки сигналов и дают широкие 
возможности разработчикам электронных устройств. 
Мы постарались рассмотреть основные функциональные узлы, 
на основе которых строятся измерительные системы и системы 
обработки сигналов. Надеемся, что информация, приведенная в 
учебном пособии, будет интересна и полезна. 

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ СТРУКТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Любая измерительная система
может состоять из
набора 

функциональных блоков, показанных на рисунке.

Обобщенная измерительная система

В этой системе преобразование измеряемой величины проходит 

от блока «Измеряемая величина» до «Выходной сигнализации». 
Связи, показанные штриховыми линиями, и элементы, от которых 
идут эти связи, играют второстепенную роль и могут отсутствовать.

На рисунке
информация распространяется слева направо. 

Главное отличие медицинских измерительных систем от других 
измерительных систем состоит в том, что источником сигнала 
является живая биологическая ткань или энергия, приложенная к 
ткани и преобразованная происходящими в ней процессами.

ИЗМЕРЯЕМАЯ ВЕЛИЧИНА

Под измеряемой величиной понимают любые физические 

величины, которые могут быть измерены. Это могут быть: 
электрические сопротивление, индуктивность, емкость, напряжение, 
ток и мощность, давление (например, атмосферное и артериальное), 
сила (например, механическая и света), влажность, кислотность, 

яркость и многое, многое другое. Обобщая, можно сказать, что 
измеряются 
физические
величины, 
свойства
или 
состояния. 

Доступность 
измеряемой 
величины 
является 
важным 

обстоятельством, 
поскольку 
она 
может 
быть 
связанной 
с 

физическими процессами внутри объекта измерения, на его 
поверхности, а также вне него. При рассмотрении биологических 
объектов измеряемые величины могут быть сгруппированы по 
следующим категориям: биопотенциалы, давление, поток, размеры
(визуализация), перемещение (скорость, ускорение, сила), импеданс, 
температура, концентрации метаболитов. Каждую измеряемую 
величину
можно 
связать 
с 
определенным 
органом 
или 
с 

анатомической структурой.

ДАТЧИК

В общем случае терминами «датчик» или «сенсор» обозначают 

элементарные устройства, которые преобразуют один вид энергии в 
другой, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения 
и регистрации. В состав датчика (сенсора) входят первичный 
измерительный 
преобразователь 
(чувствительный 
орган) 
и 

несколько 
промежуточных 
преобразователей. 
Датчик
является 

«интерфейсом» с измеряемой величиной, который должен получать 
от нее минимум энергии и вносить в нее минимальное изменение. В 
некоторых случаях чувствительность датчика можно регулировать в 
широких пределах путем замены первичного измерительного 
преобразователя. Многие градуальные первичные измерительные
преобразователи
требуют подвода электрической энергии, что 

позволяет получить электрический сигнал на выходе датчика.

Датчики в свою очередь подразделяются на генераторные

(активные) и модуляторные (пассивные).

Генераторные датчики
используют энергию измеряемого 

процесса для формирования
выходного
сигнала. Напротив, в 

модуляторных 
датчиках
энергия 
измеряемого 
процесса 

используется для изменения потока внешней энергии, которая 
подводится к измеряемому объекту и направляется на выход датчика. 
Например, фотогальванический элемент является генераторным 
датчиком, поскольку он непосредственно преобразует энергию 
падающего света в выходной электрический сигнал, не требуя для 

этого никакой внешней энергии. Напротив, фоторезистор является 
модуляторным 
датчиком: 
чтобы 
измерить 
изменение 
его 

сопротивления под действием падающего света, через него 
необходимо пропустить ток от внешнего источника.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА ДАТЧИКА

Как правило, электрический сигнал с выхода датчика нельзя 

непосредственно подать на регистрирующий прибор. До этого сигнал 
датчика
необходимо 
преобразовать. 
Простые 
преобразователи 

усиливают и фильтруют сигнал, или же просто согласуют импедансы 
выхода датчика и входа последующего блока системы. Примером 
преобразователя является фильтр, который подавляет паразитные 
электрические помехи, проходящие на выход датчика. Кроме того, 
преобразователь может усреднить несколько однотипных сигналов, 
тем самым снижая электрический шум. Также преобразователь может 
радикально изменить вид сигнала датчика, переведя его из временной 
области в частотную (например, путем преобразования Фурье).

Современной практикой является преобразование выхода 

датчика
в 
цифровую 
форму, 
после 
чего 
цифровой 
сигнал 

обрабатывается специализированным цифровым устройством или 
компьютером. 

ОТОБРАЖЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ДАННЫХ

Результаты измерений должны быть отображены в той форме, 

которая понятна оператору. Наилучшим способом отображения 
данных может быть их цифровое или графическое, дискретное или 
непрерывное, постоянное или временное представление на экране, 
что зависит от измеряемой величины и от способа дальнейшей 
обработки 
информации. 
Многие 
виды 
отображения 
данных 

непосредственно ориентированы на наши зрение и слух (например, 
звуковые сигналы ультразвуковых приборов, основанных на эффекте 
Доплера, хорошо идентифицируются путем прослушивания).

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ И УСТРОЙСТВА

Измеряемую величину следует отображать в определенных 

единицах измерения. С этой целью к входу датчика (или же в 
пределах тракта преобразования сигнала, но как можно ближе к 
входу датчика) подают специальный калибровочный сигнал по 
вспомогательной 
цепи. 
Другими 
примерами 
вспомогательных 

элементов являются цепи управления и обратные связи, которые 
настраивают датчик и тракт преобразования для получения наиболее 
удобной формы сигнала, а также направляют полученные данные на 
устройство 
отображения, 
хранения 
или 
в 
локальную 

информационную сеть. Устройства управления и обратные связи 
могут быть ручными или автоматическими. Данные могут быть 
записаны в устройстве памяти не только в целях их последующего 
преобразования, но и для того, чтобы оператор мог просмотреть тот 
фрагмент данных, который предшествовал аварийному режиму 
работы. 
Также 
возможно 
организовать 
хранение 
первичных 

(необработанных) сигналов, так что в дальнейшем их можно будет 
преобразовывать различными системами обработки данных. Для 
передачи данных часто применяют стандартные протоколы, с 
помощью которых результаты измерений направляют на удаленные 
пульты управления или в центры обработки информации.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ РЕЖИМЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

ПРЯМЫЕ И КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Во многих случаях необходимая измеряемая величина (или 

оцениваемое свойство) может быть непосредственно воспринята
инвазивным 
или 
неинвазивным 
датчиком. 
Если 
требуемая

измеряемая величина
недоступна
для прямого измерения, то 

используют другую измеряемую величину, которая определенным 
образом связана
с
изучаемой, или же на объект измерения 

направляют энергию специфического вида, с помощью которой
исследуемая измеряемая величина
становится доступной
для 

измерения. Например, в медицине с помощью таких косвенных 
методов измерения определяют величину сердечного выброса (объем 
крови, прокачиваемый сердцем за одну минуту), который получают 
по результатам измерения параметров дыхания и концентрации газов 

в крови или по степени растворения красителя. Другими примерами 
являются определение морфологических характеристик внутренних 
органов на основании анализа рентгеновских снимков, а также 
оценка параметров дыхания с помощью различных вариантов 
импедансной плетизмографии.

СБОР ДАННЫХ В НЕПРЕРЫВНОМ И ДИСКРЕТНОМ 

РЕЖИМАХ

Некоторые измеряемые величины, такие как температура тела 

или концентрация ионов, изменяются настолько медленно, что их 
величины можно измерять через длительные интервалы времени. 
Напротив, 
другие 
величины 
или 
сигналы, 
такие 
как 

электрокардиограмма 
или 
потоки 
дыхательных 
газов, 
могут 

потребовать 
непрерывного 
мониторинга. 
На 
частоту 
отсчета 

измеряемого 
физиологического
параметра 
влияют 
следующие 

факторы: частотные характеристики этого параметра, цель его 
измерения, состояние объекта исследования. Следует иметь в виду, 
что многие накопленные данные могут остаться невостребованными.

АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измеряемые сигналы могут быть аналоговыми, которые 

способны 
принимать 
любое 
значение 
внутри 
динамического 

диапазона, или цифровыми
(дискретными), значения которых 

ограничены набором строго определенных величин (например, 0 и 
5 В). Многие широко используемые датчики работают в аналоговом 
режиме, хотя имеются и такие датчики, у которых дискретный 
характер сигнала непосредственно связан с принципом их работы. 
Все возрастающее применение цифровых методов обработки 
сигналов 
потребовало 
разработки 
многочисленных 
аналого
цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП, 
соответственно), с помощью которых организуют связь компьютера с 
датчиком (АЦП) или с аналоговым дисплеем (ЦАП). Ученые и 
конструкторы 
разработали 
такие 
типы 
датчиков
(например, 

оптические кодировщики), в которых имеются аналоговые первичные 
измерительные 
преобразователи
и 
встроенные 
цифровые 

преобразователи. Также имеются квазицифровые датчики, такие как