Основы построения и методы проектирования аналого-цифровых интерфейсов и интеллектуальных датчиков

Сухинец Ж. А., Гулин А. И. 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ  
И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ 
И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ  
С ЦЕПНОЙ ТРЕХПОЛЮСНОЙ СТРУКТУРОЙ 
 
 
 
 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва 
2020 
 

УДК 621.3; 681.2; 685.5 
ББК 31.29-5 
C91 
 
Рецензенты: 
Прокопенко Н. Н. Заведующий кафедрой «Информационные системы и радиотехника» Донского государственного технического университета, доктор технических 
наук, профессор; заслуженный изобретатель Российской Федерации; Руководитель 
научно-исследовательской лаборатории проблем проектирования в экстремальной 
микроэлектронике ИППМ РАН и ДГТУ. 
Исмагилов Ф. Р. Заведующий кафедрой «Электромеханика» Уфимского государственного авиационного технического университета, доктор технических наук, профессор. 
 
Сухинец Ж. А., Гулин А. И.  
Основы построения и методы проектирования аналого-цифровых 
интерфейсов и интеллектуальных датчиков с цепной трехполюсной 
структурой. Монография. — Москва. СОЛОН-Пресс, 2020. — 180 c. 
 
ISBN 978-5-91359-427-3 
 
В работе на основе метода континуант разработан метод функций преобразования, весьма эффективный для анализа и синтеза цепных структур. 
Получены формулы Гулина А. И., позволяющие записывать функцию 
преобразования (обратная величина коэффициента передачи), частоту 
квазирезонанса многозвенных схем сразу по виду структуры, без решения 
громоздких систем уравнений. Представлены алгоритмы вычисления, 
простые для программирования, и интерфейсы для исследования и вычисления необходимых параметров и характеристик цепных структур. Разработаны оригинальные методики проектирования цепных структур с требуемой погрешностью выходных характеристик и моделирования с необходимой погрешностью в заданном диапазоне частот. Представлен новый 
класс интеллектуальных преобразователей и устройств измерения как 
электрических, так и неэлектрических физических величин: расход газа, 
температура, уровень жидкости, масса, деформация на основе цепных 
трехполюсных структур. 
Книга предназначена для преподавателей и студентов высших учебных 
заведений дневной и заочной форм обучения, магистрантов и аспирантов, 
научных работников и инженеров, работающих в области измерительной 
техники, приборостроения, информатики и вычислительной техники, программирования, автоматики и управления в технических системах. 
 
ISBN 978-5-91359-427-3 
© СОЛОН-Пресс, 2020 
 
© Ж. А. Сухинец, А. И. Гулин, 2020 

ʽʧʸʤʦʸʫʻʰʫ 
Введение 
.................................................................................................................... 
6 
Глава 1.  Общие сведения, классификация  и обзор преобразователей 
с цепной трехполюсной структурой и методов их исследования 
................. 
10 
1.1. Общие сведения и классификация преобразователей цепной трехполюсной 
структуры ........................................................................................................................... 10 
1.2. Обзор существующих методов анализа цепных структур и сравнительная  
оценка их трудоемкости ................................................................................................... 14 
Выводы по главе 1 ............................................................................................................. 18 
Глава 2.  Разработка метода функций преобразования для анализа 
элементов и устройств с цепной трехполюсной структурой ........................ 
20 
2.1. Анализ преобразователей с неоднородной цепной трехполюсной  
структурой 
.......................................................................................................................... 20 
2.2. Вывод аналитических выражений для исследования чувствительности 
преобразователей с ЦТС 
................................................................................................... 26 
2.3. Исследование устройств с однородной цепной структурой  
и преобразователей с распределенными параметрами 
.................................................. 28 
2.4. Анализ канала передачи информации из линий связи и устройств 
с сосредоточенными параметрами .................................................................................. 32 
2.5. Анализ структур цифро-аналоговых преобразователей ........................................ 33 
Выводы к главе II .............................................................................................................. 38 
Глава 3.  Синтез функциональных устройств систем управления  
методом функций преобразования .................................................................... 
40 
3.1. Синтез фазовых преобразователей ........................................................................... 41 
3.2. Синтез многозвенных автогенераторных  RC-преобразователей 
......................... 48 
3.3. Синтез частотных преобразователей с распределенными параметрами 
.............. 55 
3.4. Синтез регулируемых каскадных масштабных преобразователей  
из резисторов одного номинала ....................................................................................... 59 
З.5. Общие вопросы синтеза устройств ЦТС с учетом требований к рабочим 
характеристикам и условию согласования в СУ 
............................................................ 62 
Выводы к главе III ............................................................................................................. 66 
Глава 4.  Проектирование и моделирование преобразователей с цепной 
структурой 
.............................................................................................................. 
68 
4.1. Проектирование преобразователей с нормированной погрешностью  
выходных характеристик 
.................................................................................................. 68 
4.2. Исследование влияния нагрузки на выходные характеристики частотных 
датчиков 
.............................................................................................................................. 71 

Оглавление 
4.3. Исследование методических погрешностей моделирования устройств с 
распределенными параметрами ....................................................................................... 74 
Выводы по главе IV 
........................................................................................................... 80 
Глава 5.  Разработка алгоритмов, программ и интерфейсов для 
исследований характеристик преобразователей и устройств с цепной 
структурой 
.............................................................................................................. 
81 
5.1. Разработка алгоритмов исследования и инженерной методики расчета 
функциональных устройств с цепной структурой 
......................................................... 81 
5.2. Разработка алгоритма программы КP.EXE и интерфейса исследования 
амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик цепных  RCпреобразователей 
............................................................................................................... 83 
5.3. Разработка алгоритмов исследования, программы «Dopusk» и инженерной 
методики расчета допусков на элементы ЦАП по заданной погрешности  
выходного напряжения ..................................................................................................... 90 
5.4. Разработка алгоритмов исследования, программы «DeltafотС» и инженерной 
методики расчета влияния отклонений значений элементов фазирующей   
RC-цепочки (чувствительности) на функцию преобразования и частоту 
квазирезонанса 
................................................................................................................... 95 
5.5. Разработка алгоритмов исследования и программы вычисления  
средней частоты квазирезонанса фазирующих цепочек из резистивных  
и емкостных датчиков 
....................................................................................................... 98 
Выводы по главе V .......................................................................................................... 103 
Глава 6.  Разработка нового класса интеллектуальных устройств 
измерения физических величин с использованием преобразователей 
цепной структуры ............................................................................................... 
104 
6.1. Разработка интеллектуального струйного расходомера коммерческого  
учета газа на отечественной элементной базе 
.............................................................. 105 
6.2. Интеллектуальный частотный датчик уровня жидкости ................................... 118 
6.3. Разработка способа измерения уровня и массы жидкости при изменении 
положений резервуара и устройства для его осуществления 
..................................... 128 
6.4. Разработка способа измерения средней температуры неоднородной среды  
с использованием терморезисторов как элементов фазирующей цепочки  
генераторов ...................................................................................................................... 133 
6.5. Разработка функционального частотомера номинальных значений для 
частотных датчиков 
......................................................................................................... 139 
6.6. Функциональный преобразователь синусоидальных сигналов частота-код ..... 147 
6.7. Система фазовой автоподстройки частоты с широким диапазоном  
начальных расстроек ....................................................................................................... 149 
6.8. Интеллектуальное устройство, реализующее частотный способ измерений 
массы и деформаций ....................................................................................................... 153 
6.9. Разработка способа и интеллектуального устройства для измерения высокой 
температуры неоднородной среды ................................................................................ 157 

Оглавление  
5 
Выводы по главе VI 
......................................................................................................... 160 
Заключение .......................................................................................................... 
162 
Список сокращений  и условные обозначения 
.............................................. 
165 
Список литературы ............................................................................................ 
166 
 
 

ʦʦʫʪʫʻʰʫ 
Наиболее распространенной структурой, реализующей широкий класс преобразователей систем управления (СУ) и устройств вычислительной техники 
(ВТ), является цепная трехполюсная структура (ЦТС). Это цифро-аналоговые 
преобразователи (ЦАП) и первичные преобразователи с частотным и фазовым 
выходом, вторичные преобразователи частота-код и фаза-код, масштабные 
преобразователи и корректирующие звенья, схемы замещения большого класса преобразователей с распределенными параметрами (ПРП) и линий связи, 
модели электрохимических процессов, устройств различной физической природы и т. д.  
Теория о ЦТС получила развитие благодаря работам таких отечественных 
ученых, как Асеев Б. П., Белецкий А. Ф., Лангин А. А., Смолов В. Б., Веников 
В. А., Новицкий П. В., Островский Л. А., Сигорский В. П., Харкевич А. А. и 
многих других специалистов, а также ряда зарубежных (Абрахамс Д., Беллерт 
С., Гиллемин Э. А., Калахан Д. А., Карни Ш., Кауэр В., Мэзон С., Пароди М. и 
др.).  
Очевидно, что увеличение количества плеч устройств ЦТС и схем замещения ПРП позволяет расширить диапазон, увеличить точность преобразования 
и уменьшить методическую погрешность моделирования. Однако анализ подобных структур при числе плеч более восьми традиционными методами затруднителен, а при использовании нелинейных элементов – практически невозможен. К настоящему времени не разработаны и методы исследования 
ЦТС, имеющих в своем составе неоднородные и распределенные схемы, с 
применением ПЭВМ, во всяком случае, достаточно общие.  
Как известно, одним из основных элементов интегральной схемотехники 
является RC-структура, представляющая собой ЦТС с распределенными параметрами. Весомый вклад в разработку методов анализа и синтеза RC-структур 
и устройств на их основе внесли отечественные и зарубежные учёные, среди 
которых можно отметить Агаханяна Т. М., Знаменского А. Е., Колесова Л. Н., 
Нигматуллина Р. Ш., Гильмутдинова А. Х., Ушакова П. А., Гутникова В. С. и 
др., а также Castro P., Fuller W., Kaufmann W., Garrett S., Orchard H., Wang D., 
Lancaster P., Minc H., Marinov C. и т. д. Однако современные методы и средства анализа и синтеза не позволяют оценить методическую погрешность и 

Введение  
7 
разработать приемлемые методики моделирования схем замещения подобных 
структур.  
Использование частотных датчиков ЦТС совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. В настоящее 
время получены аналитические выражения для частоты и затухания подобных 
ЦТС лишь для преобразователей с числом плеч не более восьми. 
Перспективность ЦТС заключается и в том, что на их основе можно создавать различные функциональные устройства измерения и обработки электрических сигналов, более точные модели физических, электрических и электрохимических объектов. Например, без дополнительных вычислительных операций производить быстрое усреднение в реальном масштабе времени показаний 
температуры, уровня, давления и других физических величин, передавая информацию по двухпроводной линии связи, с использованием однотипных датчиков в качестве элементов фазирующих цепочек RC- или LC- генераторов. 
Впечатляющие достижения в различных областях науки и техники невозможны без совершенствования средств ВТ и СУ, участвующих сбором, преобразованием, обработкой и передачей всего многообразия измерительной информации и управляющего воздействия на объект регулирования по каналам 
связи (см. табл. В. 1). Таким образом, получение и первичная обработка информации от контролируемого объекта, которые выполняют первичные измерительные преобразователи (ИП) и датчики, являются одними из важнейших 
операций при управлении и регулировании. От их точности, быстродействия и 
помехоустойчивости зависит работа всей СУ.  
В современной технике использование электрической энергии в силу известных достоинств получило преимущественное распространение. В связи с 
этим наиболее перспективной группой преобразователей информации являются преобразователи [1–10], связанные с электрическими процессами и параметрами цепей. Выходными величинами преобразователей обычно являются 
активное, индуктивное или емкостное сопротивление, напряжение, ЭДС, частота или фаза переменного тока, частота следования и длительность импульсов и другие параметры. Не менее важным является и создание электрических 
моделей различных устройств, которые, как правило, имеют ЦТС. Обобщенный метод исследования схем различного назначения, вне зависимости от их 
сложности, позволит более точно анализировать процессы, происходящие в 
них. 

Введение 
В связи с вышеуказанным, в работе проведена классификация преобразователей ЦТС по принципу преобразования входной величины и роду выходной 
величины, указаны параметры для сравнения и оценки свойств ИП, рассмотрены сложности использования традиционных известных методов анализа и 
синтеза для исследований устройств СУ и ВТ с однородной и неоднородной 
ЦТС. Впервые разработан класс способов измерения различных физических 
величин на базе метода функций преобразования и созданы устройства для их 
реализации, осуществимые только преобразователями ЦТС. 
 
 
 

Введение  
9 
Таблица В. 1
 

ʧ̣̌̏̌ 1.  
ʽʥˍʰʫ ˁʦʫʪʫʻʰ˔, ʶʸʤˁˁʰˇʰʶʤˉʰ˔  
ʰ ʽʥʯʽˀ ʿˀʫʽʥˀʤʯʽʦʤ˃ʫʸʫʱ 
ˁ ˉʫʿʻʽʱ ˃ˀʫˈʿʽʸ˓ˁʻʽʱ 
ˁ˃ˀ˄ʶ˃˄ˀʽʱ ʰ ʺʫ˃ʽʪʽʦ 
ʰˈ ʰˁˁʸʫʪʽʦʤʻʰ˔ 
1.1. ʽ̛̺̖̍ ̛̭̖̖̦̏̔́ ̛ ̴̶̡̡̛̛̛̣̭̭̌̌́ 
̨̨̪̬̖̬̯̖̣̖̜̍̌̏̌̚ ̶̨̖̪̦̜ ̵̨̨̯̬̖̪̣̭̦̜̀ ̡̭̯̬̱̯̱̬̼ 
Ввиду большого разнообразия измерительных преобразователей (ИП) цепной структуры, как по схемам плеч, так и по видам структур, а также широкого диапазона их использования представляется целесообразным рассмотреть 
их по назначению (рис. 1.1.1), что позволит значительно упростить определение свойств, вновь синтезированных ИП. На рис. 1.1.2 в качестве примера 
представлены трехполюсная и лестничная, а на рис. 1.1.3 сетчатая структуры. 
Причем в качестве фазовращателей ബ используются цепные лестничные схемы 
из сопротивлений и емкостей-варикапов. Все многообразие ЦТС представляет 
собой один из четырех видов ИП: потенциально-потенциальные-ИП U/U, потенциально-токовые ИП U/I, токово-токовые ИП I/I и токово-потенциальные 
ИП I/U.