Электрорадиоизмерения

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Серия основана в 2001 году



В.И. Нефедов, А.С. Сигов, В.К. Битюков, Е.В. Самохина



ЭЛЕКТРОРАДИОИЗМЕРЕНИЯ



    УЧЕБНИК


4-е издание, переработанное и дополненное



Под редакцией ректора МИРЭА, доктора физико-математических наук, профессора А.С. Сигова

Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе специальностей 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи»



znanium.com

Москва

ИНФРА-М



2024

УДК 621.372(075.32)
ББК 32.842я723
     Н58






      Рецензенты:
         Г.Г. Раннев — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные системы и измерительные технологии» Московского государственного открытого университета;
         В.В. Сизых — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Специальные радиоэлектронные системы» Института криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России


      Нефедов В.И.
Н58 Электрорадиоизмерения : учебник / В.И. Нефедов, А.С. Сигов, В.К. Битюков, Е.В. Самохина ; под ред. А.С. Сигова. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2024. — 383 с. — (Среднее профессиональное образование).

         ISBN 978-5-00091-502-8 (ФОРУМ)
         ISBN 978-5-16-010383-9 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-100954-3 (ИНФРА-М, online)

         Рассмотрены цели, задачи, принципы и основные метрологии, а также методы и средства измерений электрических величин. Материал представлен с учетом современных достижений и тенденций развития теории измерений и измерительной техники. Изложение базируется на действующей нормативно-технической государственной документации и рекомендациях международных организаций в области метрологии и измерительной техники.
         Предназначено для учащихся техникумов и колледжей, обучающихся по специальности «Радиоаппаратостроение», а также для студентов вузов.

УДК 621.372(075.32)
ББК 32.842я723






                                           ©

                                           ©
ISBN 978-5-00091-502-8 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-010383-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-100954-3 (ИНФРА-М, online) ©


Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В.К., Самохина Е.В., 2009 Нефедов В.И., Сигов А.С., Битюков В.К., Самохина Е.В., 2014, с изменениями
ФОРУМ, 2016

     СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ                            
АКФ  --- автокорреляционная функция                        
АЦП  --- аналогово-цифровой преобразователь                
АЧХ  --- амплитудно-частотная характеристика               
БПФ  --- быстрое преобразование Фурье                      
ВКФ  --- взаимнокорреляционная функция                     
ГКЧ  --- генератор качающей частоты                        
ГЛИН --- генератор линейно-изменяющегося напряжения        
ГС   --- генератор сигналов                                
ГСИ  --- генератор счетных импульсов                       
ГСС  --- генератор стандартных сигналов                    
ГШТ  --- газоразрядные шумовые трубки                      
дпф  --- дискретное преобразование Фурье                   
ЗЦО  --- запоминающий осциллограф                          
ИВИ  --- измеритель временных интервалов                   
ИВК  --- измерительно-вычислительные системы               
ИИС  --- измерительно-информационные системы               
КБВ  --- коэффициент бегущей волны                         
КИС  --- компьютерно-измерительные системы                 
КСВ  --- коэффициент стоячей волны                         
ЛПД  --- лавинно-пролетные диоды                           
НСП  --- неисключенные остатки систематических погрешностей
ОЗУ  --- оперативное запоминающее устройство               
ОС   --- обратная связь                                    
ОУ   --- операционный усилитель                            
ПЗУ  --- постоянное запоминающее устройство                
ПУДЧ --- программно-управляемый делитель частоты           
СКО  --- среднеквадратическое отклонение                   
УДЧ  --- управляемый делитель частоты                      
УПЧ  --- усилитель промежуточной частоты                   
УУ   --- устройство управления                             
ФВ   --- фазовращатель                                     
ФД   --- фазовый детектор                                  
ФНЧ  --- фильтр нижних частот                              
ЦАП  --- цифро-аналоговый преобразователь                  
ЦОУ  --- цифровое отсчетное устройство                     
ЦФД  --- цифровой фазовый детектор                         
ШПС  --- шумоподобные сигналы                              
ЭЛТ  --- электронно-лучевая трубка                         

        ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

X      --- истинное значение           ~    
       измеряемой величины             т\   
X      --- результат измерения              
А      --- абсолютная погрешность          с
5      --- относительная                    
       погрешность                         с
У      --- приведенная                     ~
       погрешность                       сср
А      --- систематическая                  
                                    ~*      
       погрешность                  с       
А      --- частная систематическая         5
       погрешность                          
А      --- случайная                        
       погрешность                        Ас
А      --- случайная частная                
       погрешность                       Зон
А,„    --- максимальная (предель-           
       ная) погрешность                     
d      --- аддитивная относитель-           
       ная погрешность прибора           Туи
с      --- суммарная относительная          
       погрешность прибора                  
А( Л)  --- оценка погрешности              D
       результата косвенного            T(Z)
       измерения                        Ф(г)
А (Л ) --- систематическая погреш-  /(Рд, п)
       ность результата косвен-        S(<b)
       ного измерения                   Г(*)
А (Л1) --- случайная погрешность            
       результата косвенного               ч
       измерения                            
Аг р А --- нижняя и верхняя границы        d
       интервала погрешностей               
Ху     --- нормирующее значение            е
Л      --- конечное значение шкалы          
р      --- вероятность                      
р           --- доверительная              Q
               вероятность                  
F(x)   --- интегральный закон              в
       распределения                       S
Р(х)   --- закон распределения              
       плотности вероятности                
р (/)  --- нормированный                   5
       нормальный закон                     
       распределения                        
т-[    --- математическое                   
       ожидание                             

— оценка математического ожидания (результат измерения)
— среднее квадратическое отклонение (СКО)
— оценка СКО наблюдений
— оценка СКО результата измерений
— смещенная оценка СКО наблюдений
— оценка суммарного СКО результата измерения
— предел допускаемой абсолютной основной погрешности прибора
— предел допускаемой относительной основной погрешности прибора
— предел допускаемой приведенной основной погрешности прибора
— дисперсия
— интеграл вероятностей
— функция Лапласа
— коэффициент Стьюдента
— спектральная плотность
— гамма-функции (интегралы Эйлера)
— уровень значимости ошибки
— квантиль нормального распределения
— общая граница неисклю-ченных систематических погрешностей
— добротность
   резонансного контура
— индукция
— доверительная граница случайной погрешности результата измерений
— чувствительность средств измерений
— чувствительность трубки

4

.4 ,. 4R — нижняя и верхняя границы доверительного интервала - Дг, — доверительные



   ₊ дг  интервалы
    — — коэффициент гармоник М — коэффициент амплитудной модуляции; коэффициент взаимной индуктивности
   R(t) — корреляционная функция u(t) — аналоговый сигнал ит(t) — дискретный сигнал u ᵤ(t) — цифровой сигнал — — амплитуда гармонического напряжения
-г+ ^ - — положительное
  > ^
          и отрицательное амплитудные значения
     U — среднее квадратическое значение напряжения
    U — среднее значение напряжения
   U — средневыпрямленное значение напряжения — — коэффициент амплитуды —ₜ — коэффициент формы 5(t) — дельта—функция (функция Дирака) р — коэффициент передачи цепи обратной связи ъ — скорость движения электронного луча трубки по экрану
Д/ , Д/к — погрешности дискретизации начала и конца измеряемого интервала времени

Д      --- общая погрешность         
       дискретизации                 
       интервала времени             
    Т„ --- время счета               
Ты     --- время опроса              
       --- вращающий момент          
     f --- циклическая частота       
       гармонического                
       колебания                     
       --- промежуточная частота     
Д/     --- полоса пропускания        
     ш --- угловая (круговая) частота
П      --- угловая частота           
       модуляции                     
ф      --- начальная фаза            
Дф     --- фазовый сдвиг             
  совф --- косинус угла между        
       двумя гармоническими          
       колебаниями                   
11т    --- соответственно            
       минимальная и макси-          
       мальная амплитуды             
       смешанной волны               
I      --- комплексный               
       коэффициент отражения         
    Кы --- коэффициент бегущей       
       волны                         
    кт --- коэффициент стоячей       
       волны                         
W(ffl) --- спектральная плотность    
       мощности                      
т      --- удельное потокосцепле-    
       ние катушек                   
р      --- характеристическое        
       сопротивление;                
       волновое сопротивление        
   tgS --- тангенс угла потерь       
       конденсатора                  

            ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА



    Измерительные средства наряду с радиотехникой, микроэлектроникой и вычислительной техникой относятся к отраслям науки и техники, развивающимися ускоренными темпами. Все это привело к тому, что подавляющее число электрорадиоизмерений приходится проводить современными приборами с использованием компьютеров, и методов математической статистики. Поэтому главная цель учебника — знакомство с новейшими основами теории и практики измерений.
    Учебник «Электрорадиоизмерения» предназначен для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 2003 — «Радиоаппа-ратостроение». Однако его могут использовать студенты других специальностей радиоэлектронных профилей. Он будет полезен студентам смежных специальностей, которые проходят первоначальную подготовку в области современной теории измерений. Возможно учебник будет одним из камней фундамента, на котором строится основная профессиональная образовательная программа высшего образования по специальностям направления 654200 Радиотехника. В отличие от большей части учебной литературы, где основное внимание уделено изложению дисциплины, в предлагаемом учебнике акцент перенесен на объяснение предмета. Он может быть интересен еще и тем, что многие аспекты в нем смещены в область цифровой измерительной техники, что отражает современные тенденции в развитии средств измерений.
    Считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность профессорам Г.Г. Ранневу и В.В. Сизых, а также д-ру физ.-мат. наук М.В. Гальперину, взявшим на себя нелегкий труд по рецензированию учебника. Выражаю глубокую признательность А.А. Берзину, А.А. Парамонову, Т.А. Лебедевой и Н.Е. Овчеренко за полезные советы и поддержку. Большую помощь при написании учебника оказали доценты Е.В. Федорова и Е.К. Белянина.

6

    Авторы благодарны всем, кто внимательно прочел рукопись учебника. Велика также роль преподавателей и аспирантов Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета). При работе над книгой были учтены и отзывы ряда известных специалистов радиотехнического профиля. Тем не менее, мы готовы с признательностью принять конструктивную критику, предложения и пожелания, которые конечно будут отражены в следующих изданиях книги.
    Замечу, что материалы данного учебника основаны на новых метрологических терминах и определениях, введенных в действие с 1 января 2001 г. Рекомендацией по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 «ГСП. Метрология. Основные термины и определения». Есть в данном учебнике и некоторые вопросы, отражающие Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании». Пзвестно, что переход на новые нормативные метрологические документы, технические регламенты и национальные стандарты в Российской Федерации еще не завершен, поэтому по тексту фактически нет ссылок на вновь принятые и устаревшие стандарты, рекомендации, руководящие документы и правила. Практически все наименования новых документов, имеющихся на время издания учебника, приведены в Приложении.
    Подготавливая учебник к публикации, Пздательство и я, как редактор, приложили много усилий к тому, чтобы устранить замеченные погрешности и опечатки в тексте, формулах и рисунках. Однако нет полной гарантии в том, что в достаточно сжатые сроки подготовки книги в ее материалах не было что-либо упущено. Если внимательный читатель обнаружит неточности в книге, то я, как редактор, полностью беру на себя моральную ответственность за эти недостатки.
    Авторы с глубокой признательностью примут любые замечания и пожелания читателей.

Профессор А. С. Сигов

            ВВЕДЕНИЕ



    Измерения играют важнейшую роль в жизни человека. В том или ином виде измерения возникли с появлением человека на Земле. Различными исследованиями установлено, что более чем за четыре тысячелетия до новой эры в Древнем Египте и Месопотамии уже проводили различные виды измерений, в том числе и астрономические. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира. Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающий интересующие свойства объекта познания. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Недаром еще великий Галилео Галилей утверждал: «Надо измерять все измеряемое и делать измеримым то, что не поддается измерению». Можно сказать, что прогресс науки и техники определяется степенью совершенства измерений и измерительных средств.
    Измерениями занимались и существенно их развили такие известные ученые как X. Гюйгенс и И. Ньютон. Основателем же метрологии, как науки, в сущности, был К.Ф. Гаусс. Большой вклад в развитие метрологии внес В.Э. Вебер, который вместе с К.Ф. Гауссом разработал абсолютную систему электрических и магнитных единиц.
    Зарождение в нашей стране метрологической службы следует отнести к 1842 г., когда был издан закон о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического учреждения — Депо образцовыых мер. Существенный вклад в развитие отечест

8

венной метрологии внесла академическая комиссия в составе академиков О.В. Струве, Г.И. Вильда и Б.С. Якоби (1870 г.). Основателем отечественной метрологии стал русский ученый Д.И. Менделеев (1834-1907). Он так определял роль и значение измерений: «В природе мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры». В 1893 г. по указу императора была основана Главная палата мер и весов, директором которой был назначен Д.И. Менделеев. В задачи палаты входило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии. Затем в нашей стране стали создаваться местные поверочные палаты.
    История развития техники электрических измерений связана с именами русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х годах XVIII в. сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный авторами указатель электрической силы. Выдающиеся ученые (А. Вольта, Ш. Кулон, Г. Ом, М. Фарадей и др.) во второй половине XVIII — первой половине XIX века продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодействия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, — прообраза приборов магнитоэлектрической системы. С помощью этого несложного устройства М. Фарадей установил закон электромагнитной индукции (1826-1931). Во второй половине XIX в. существенный вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли выдающиеся русские ученые А.Г. Столетов, Б.С. Якоби и особенно М.О. Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные и ряд других приборов.
    Первые измерительные приборы использовали лишь для относительной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры. Вначале (середина XIX в.) эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одинаковыми. Однако это позволяло все же производить измерения, хотя еще и не в общепринятых единицах, и сделало возможным взаимное сличение этих мер и сравнение результатов опытов.
    По взаимной договоренности на специальной международной конференции с участием России в 1875 г. была подписана

9

метрическая конвенция, по которой страны обязались содержать «Международное бюро мер и весов» как центр, обеспечивающий единство измерений в международном масштабе. При этом в широком смысле под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. Применительно к нашей стране, согласно Закону Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений», единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
    Разработка и внедрение техники электрорадиоизмерений совпало с началом развития систем радиосвязи и радиотехники. Существенное внимание данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основоположником отечественной радиоизмерительной техники считается академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству измерительных приборов. Неоценимый вклад в развитие техники электрорадиоизмерений внес академик Л.И. Мандельштам, создавший в начале XX в. прототип современного электронного осциллографа. Многие русские ученые, такие, как В.В. Ширков, М.А. Бонч-Бруевич, Н.Н. Пономарев, В.Г. Дубенецкий и другие, существенно развили теорию и технику радиоизмерений.
    Для того чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами электрорадиоизмерений, студентам необходимо освоить ряд общих принципов их решения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечивающую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология (от греч. «метрон» — мера, «логос» — учение). Современное определение метрологии дано в Рекомендации РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»: метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

10