Аспекты проектирования усилительных устройств систем контроля

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. С. Вохминцев
Е. А. Бунтов
Е. В. Моисейкин
Ю. Г. Устьянцев

Аспекты проектирования 
усилительных устройств
систем контроля

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлениям подготовки
12.03.01 — Приборостроение, 
11.03.04 — Электроника и наноэлектроника,
27.03.01 — Стандартизация и метрология в приборостроении,
14.03.02 — Ядерные физика и технологии

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2019

УДК 621.375-047.74(075.8)
ББК 32.846-2я73
          А90
Авторы:
А. С. Вохминцев, Е. А. Бунтов, Е. В. Моисейкин, Ю. Г. Устьянцев

Рецензенты: 
лаборатория физики и технологии тонких пленок науч.-исслед. физ.-техн. 
ин-та Нац. исслед. Нижегород. гос. ун-та им. Н. И. Лобачевского (завлаб. 
канд. физ.-мат. наук А. Н. Михайлов);
гл. инженер АО «Уралгипромез» канд. физ.-мат. наук С. В. Соловьев.

Научный редактор — проф., д-р физ.-мат. наук С. В. Никифоров

А90
    Аспекты проектирования усилительных устройств систем контроля : 
учеб ное пособие / А. С. Вохминцев, Е. А. Бунтов, Е. В. Моисейкин, 
Ю. Г. Устьянцев. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2019. — 112 с.

ISBN 978-5-7996-2607-5

Учебное пособие предназначено для студентов. В пособии рассмотрены основные функции устройств, которые преобразуют аналоговые сигналы с датчиков 
для их дальнейшей обработки. К таким устройствам относятся датчики, измерительные усилители, преобразователи ток — напряжение, фазоинверторы и повторители. Рассмотрены задания, соответствующие проектам по модулям «Измерительные преобразователи и усилительная техника» и «Элементы и устройства 
промышленной электроники»: выбор датчика для измерения физической величины, сопряжение измерительных устройств с датчиками, вопросы расчета каналов предварительного усиления.
Пособие может быть использовано в учебных целях в вузах физического, приборостроительного и электротехнического профилей.

Библиогр.: 16 назв. Рис. 45. Табл. 1. Прил. 2.

УДК 621.375-047.74(075.8)
ББК 32.846-2я73

ISBN 978-5-7996-2607-5 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2019

Сокращения

SMD — Surface Mounted Device (электронный компонент 
 
     для поверхностного монтажа)
АЧХ 
— амплитудно-частотная характеристика
АЭУ 
— аналоговое электронное устройство
ВАХ 
— вольт-амперная характеристика
ВЧ 
— высокие частоты
ГСТ 
— генератор стабильного тока
ДК 
— дифференциальный каскад
ДУ 
— дифференциальный усилитель
ИИС — информационно-измерительные системы
ИТУН — источник тока, управляемый напряжением
КОСС — коэффициент ослабления синфазного сигнала
КПД — коэффициент полезного действия
МДП — металл-диэлектрик-полупроводник
НП 
— нагрузочная прямая
НЧ 
— низкие частоты
ОИ 
— общий исток
ОИ 
— объект измерений
ОК 
— общий коллектор
ООС 
— отрицательная обратная связь
ОУ 
— операционный усилитель
ОЭ 
— общий эмиттер
ПК 
— персональный компьютер
РДТ 
— резистивный детектор
РТ 
— рабочая точка
ССУ 
— схемы сдвига уровня
СЧ 
— средние частоты
ТЗ 
— техническое задание
УПТ 
— усилитель постоянного тока
ФИ 
— фазоинвертор
ЭП 
— эмиттерный повторитель

Введение

В

ажность электронных измерительных устройств обусловлена их повсеместным применением в быту, промышленности 
и науке. Мощным драйвером развития схемотехники таких 
приборов является активное внедрение автоматизации и роботизации 
производства, обусловленное возможностью снижения себестоимости продукции и, следовательно, повышением рентабельности коммерческих предприятий. Массовое внедрение сенсоров и электронных 
схем обработки измерительной информации предъявляет повышенные требования к надежности и воспроизводимости результатов. Однако и научные исследования, проводимые на современном мировом 
уровне, характеризуются максимально возможной точностью измерений. Особое значение аналоговые каскады обработки информации 
с датчиков приобретают в области неразрушающего контроля и диагностики, где пропуск одного дефекта из-за погрешности измерений 
может привести к катастрофическим последствиям. В такой ситуации 
в учебные планы многих направлений, связанных с электронной техникой, были введены междисциплинарные проекты по расчету блоков измерительно-информационных систем.
Любое электронное оборудование использует основные элементы 
схемы, такие как транзисторы, диоды и резисторы для управления потоком электрической энергии в целях осуществления связи, вычисления или автоматического управления. В таком случае поток энергии, 
используемый для передачи информации, называется сигналом. Системы, в которых напряжение или ток могут плавно изменяться в ограниченном диапазоне значений, называются аналоговыми. Основным 
видом аналоговых электронных схем являются усилительные каскады, широко используемые в измерительных приборах.
В настоящем пособии рассматриваются особенности проектирования цепей на основе дискретных компонентов, таких как транзисторы 

Введение 

и резисторы, обычно соединяемые медными проводниками на печатной плате. Дискретно-компонентная технология гораздо более распространена в аналоговых системах по сравнению с цифровыми, т. к. 
дублирование одинаковых элементов здесь встречается реже. Важнейшей характеристикой аналоговых компонентов является зависимость 
тока от напряжения или ВАХ. Такие характеристики даются либо графически, как в спецификации устройства, предоставленной производителем (т. н. datasheet), либо в виде математического уравнения, 
как в случае закона Ома для резистора. Если характеристика относится к взаимосвязи между постоянным током и постоянным напряжением, то она называется статической, а для переменного во времени 
тока и напряжения — динамической. В последнем случае также указывается соответствующая частота переменного тока и напряжения.
В приведенном материале авторы использовали современные измерительные преобразователи и электронные компоненты, доступные на рынке. Используя новые и разнообразные технологии, такие компании, как Toshiba, Texas Instruments, Philips Semiconductors 
и Maxim Integrated Products, производят линейные устройства со спецификациями, значительно превышающими спецификации трех- или 
четырехлетней давности. Для студентов существенный практический 
интерес представляет то, что основные этапы проектирования электронных устройств рассмотрены на примерах реализации конкретных 
технических заданий (ТЗ).
Анализ схемы состоит в прогнозировании напряжений и токов 
в цепи в ответ на входной сигнал. В статическом анализе входная величина, такая как напряжение источника питания, используемого для 
возбуждения цепи, не изменяется со временем, а уровни напряжения 
и тока в цепи будут постоянными. В большинстве приложений это изменение напряжений и токов со временем или частотой, представляющее главный интерес, называется ответным сигналом во временной 
области и частотным откликом соответственно; определение такого 
отклика составляет предмет динамического анализа.
В общем виде разработка электронного устройства включает в себя 
основные стадии проектирования, предусмотренные ГОСТ 2.103–68: 
анализ технического задания (ТЗ), разработку технического предложения, эскизное и техническое проектирование. Перечень работ и документов, выполняемых на каждой стадии проектирования, представлены ниже.

Введение

Содержание этапов проектирования

Этап
проектирования
Перечень работ
Документ с результатами работ
Техническое предложение

Системотехнический

1. Изучение литературы
2. Анализ ТЗ
3. Разработка структурной схемы

Пояснительная записка
Пояснительная записка
Структурная схема
Схемотехнический
4. Выбор элементной базы
Пояснительная записка

Эскизный проект

Схемотехнический

5. Разработка принципиальной схемы
6. Составление полной принципиальной схемы
7. Расчет номиналов элементов схемы, составление перечня элементов

Пояснительная записка
Пояснительная записка

Принципиальная схема

Конструкторский

8. Разработка печатной платы
9. Компоновка устройства
10. Разработка таблицы составных 
частей изделия

Чертежи платы
Чертеж общего вида
Принципиальная схема

Каждый этап содержит последовательное осуществление про цедур 
синтеза, расчета, анализа и оптимизации, причем проектирование 
всегда носит итерационный характер, т. е. приходится неоднократно возвращаться к предыдущим этапам, если технические требования не удовлетворены.
По дисциплинам «Физические основы получения информации», 
«Электроника и электротехника», «Проектирование аналоговых электронных устройств», преподаваемых студентам УрФУ, предусмотрено выполнение междисциплинарных проектов. В прил. 1 приводятся 
требования к оформлению пояснительной записки и графической документации в соответствии с требованиями стандарта предприятия.

1. 
Датчики и предварительные 
усилители-преобразователи

В

се большее значение приобретает измерение величин, меняющихся во времени. Это вызвано растущей потребностью 
автоматизации комплексных процессов в самых различных 
областях техники. Наряду с этим, возникает задача измерения одновременно большого количества величин с дальнейшей передачей их 
к единому, часто централизованному месту обработки, которая производится автоматизировано за счет применения микропроцессоров.
Развитие измерительных информационных систем (ИИС) связано с автоматизацией процесса измерения. Значительная часть анализа результатов измерения, проводившегося до сих пор человеком, 
начинает производиться самим измерительным устройством. Принцип такого измерения показан на рис. 1.1: за измерительным первичным преобразователем следует промежуточный преобразователь, после которого измеряемая величина нужным образом обрабатывается 
в специальном вычислительном устройстве, иногда с привлечением 
информации, хранящейся в накопителе, и выдается в соответствующем виде из выходного устройства (например, дисплея). Такую систему можно рассматривать как ИИС.

s
S
z
y
x
Первичный  
преобразователь
Промежуточный  
преобразователь
Вычислительное 
устройство
Выходное 
устройство

Накопитель

Рис. 1.1. Принципиальная схема автоматической обработки  
измерительной информации

1. Датчики и предварительные усилители-преобразователи

ИИС подобного рода играют большую роль в современных процессах автоматизации, причем достигаемая точность автоматизации существенным образом зависит от погрешностей измерения.
В настоящей главе рассмотрены обобщенные характеристики измерительных преобразователей (датчиков), даны рекомендации по выбору модели измерительного преобразователя, необходимые сведения о схемах сопряжения датчиков различных типов с усилительной 
аппаратурой, а также приведен пример расчета схемы включения для 
датчика давления.

1.1. Обобщенные характеристики датчиков

Может потребоваться несколько этапов преобразований, прежде 
чем входной сигнал, поступающий на датчик, превратится в выходной электрический сигнал. Каждый измерительный преобразователь 
характеризуется входными и выходными характеристиками, а также 
передаточным соотношением, связывающим входные и выходные 
сигналы. В этой связи будут кратко рассмотрены основные характеристики датчиков вне зависимости от их физической природы и количества необходимых промежуточных этапов преобразований. При 
этом датчики будут представлены в виде черных ящиков, где важными 
будут только соотношения между сигналами на их входах и выходах.

1.1.1. Передаточная функция

Для каждого датчика можно вывести идеальное или теоретическое 
соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе. Сигнал 
на выходе идеального датчика всегда соответствует реальному значению внешнего воздействия. Выведенное идеальное соотношение 
между входным и выходным сигналом можно выразить в виде либо 
таблицы, либо графика, либо математического выражения. Это теоретическое выражение часто называют передаточной функцией. Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s

 
S
f s
( ).
=

1.1. Обобщенные характеристики датчиков

Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, логарифмической, экспоненциальной или степенной). Для простоты математической обработки результатов измерений, производители датчиков стараются обеспечить максимальную линейность 
передаточной характеристики. Однако, при осуществлении косвенных 
измерений, реальная функция может оказаться существенно нелинейной. Например, при измерении расстояния до магнита с помощью линейного аналогового датчика Холла, зависимость выходного напряжения от расстояния является гиперболической. В большинстве случаев 
передаточная функция является одномерной, т. е. связывает выходной 
сигнал только с одним внешним воздействием.
Датчик может иметь передаточную функцию, которую невозможно 
описать простыми функциями. В таких случаях применяются полиноминальные аппроксимации более высоких порядков. Для нелинейных передаточных функций чувствительность b не является константой. Для каждого конкретного значения входного сигнала s0 ее можно 
определить в виде

 
b
dS s
ds
=
(
).
0

Во многих случаях нелинейные датчики могут считаться линейными в ограниченном диапазоне значений. Для более широкого диапазона значений нелинейная передаточная функция представляется 
в виде отрезков нескольких прямых линий — так называемая кусочнолинейная аппроксимация. Для того чтобы определить, может ли данная передаточная функция быть представлена в виде линейной зависимости, наблюдают за изменением выходных сигналов в линейной 
и реальной моделях при постепенном увеличении входного сигнала. 
Если разность сигналов не выходит за допустимые пределы, передаточную функцию данного датчика можно считать линейной.
Следует отметить, что, как правило, передаточные функции представляются в виде зависимости «выход от входа» S(s). Однако, когда 
датчик используется для количественного определения внешнего воздействия, необходимо получить инверсную зависимость «вход от выхода» s(S). При линейной передаточной функции получить обратную 
зависимость несложно. Но, в присутствие в системе нелинейностей, 
эта задача сильно усложняется и часто не удается получить аналитическое выражение, пригодное для вычислений. В таком случае снова 
привлекаются аппроксимационные методы.