Герасимов В.Г. (ред). - Электрические измерения и основы электроники (1998)

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА В п1рех книгах Книга 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Под редакцией доктора технических наук, профессора В.Г. Герасимова Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации в качестве учебника для подготовки в высших учебных заведениях бакалавров и инженеров неэлектротехнических направлений и специальностей МОСКВА ЭН ЕРГОАТОМ ИЗДАТ 19 98 УДК 621.3 (075.8) ББК 31.21 Э 45 Выпуск издания в свет осуществлен при фффансовой поддержке АЭК «Динамо» и Издательства МЭИ Рецензенты: кафедра электротехники Московской государственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина (зав. каф.

проф. Л.Е Смольников) и проф. А.Е. Краснопольский Авторы: Гаев Г.П., Герасимов В.Г., Князьков О.М., Кузнецов Э.В., Культнасов П.С., Сергеев В.Г., Соломенцев В.Е. Электротехника и электроника. Учебник для вузов.— В 3-х кн. Кн.З. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П. Гаев, В.Г. Герасимов, О.М. Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г. Герасимова.

— М.: Энергоатомиздат, 1998. — 432 с.: ил. 1ЯВ1ч 5-283-05004-1 Э45 ? ЯВИ 5-283-05007-6 (кн.З) 18В1Ч 5-283-05004-1 ,~ Ф Авторы, 199В Книга является третьей частью учебника «Электротехника и электроника», предназначенного для электротехнической подготовки бакалавров и инженеров нсэлсктротсхничсских направлений и специальностей Рассмотрены электрические измерения, полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, электронные аналоговые и цифровые устройства, а также микропроцсссоры. ПРЕДИСЛОВИЕ Предлагаемая книга «Электрические измерения и основы электротехники» является третьей частью учебника «Электротехника и электроника», предназначенного для подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. Содержание книги соответствуег типовым учебным программам по электротехническим дисциплинам указанных направлений подготовки бакалавров и соответствующих инженерных специальностей.

Авторский коллектив кафедры электротехники и интроскопии (ЭИ) МЭР при подготовке этой книги использовал многолетний опыт преподавания и методические !радиции кафедры ЭИ, заложенные в предыдущих учебниках и учебных пособиях авторов, в частности, в книгах «Основы промышленной электроники» (198б г.) и «Сборник задач по электротехнике и основам электроники» (!987 г.), выпущенных издательством «Высшая школа» под редакцией профессора В.Г.

Герасимова Данная книга отличается от предыдущих изданий новым ее построением. В ней объединены учебник и задачник, причем изложение теоретического материала сопровождается программированными задачами с альтернативными ответами. Такое построение книги должно способствовать более активному усвоению и закреплению теоретического учебного материала и привитию умении и !навыков р!!Счета и ш!ализа электронных устройств и измерительных цепей. В конце каждого параграфа приведены или программированные вопросы, или задачи по теме соответствующего параграфа.

Задачи, как правило, подобраны таким образом: вначале даны типовые задачи с решениями, затем многовариантные задачи (помечены звездочкой), которые могут быть использованы на практических занятиях для самостоятельного решения студентами, после этого — остальные задачи для решения на аудиторных занятиях или дома.

Альтернативные ответы на задачи приводятся сразу же после изложения условий соответствующих задач В конце глав даны комментарии к правильным ответам на программированные вопросы. В конце книги приведена специальная глава, посвященная моделированию и расчету электронных устройств на персональных ЭВМ.

Это позволяет использовать элементы компьютерного обучения электронике при подготовке бакалавров и инженеров неэлектротехнических направлений и специальностей. Главы написаны следующими авторами гл.1 — В Г Сергеевым, гл. 2 и приложение 2 — П.С. Культиасовым, гл. 3 и предисловие В.Г. Герасимовым, гл. 4, 5 и приложение! — О.М Князьковым, гл.

6— Г.П. Гаевым, гл.7 — Г.П. Гаевым и В.Г. Сергеевым, гл 8 — В Е. Соломенцевым, гл, 9 — Э.В. Кузнецовым Замечания и пожелания по книге просим направлять по адресу 113114, Москва, Шлюзовая наб, 10, Энергоатомиздат. .1втор! ! 3 Глава первая ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ !.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ Измерительная техника, в том числе техника электрических измерений, играет чрезвычайно важную роль в научно-техническом прогрессе.

Она используется почти во всех областях народного хозяйства. Уровнем ее развития во многом определяются совершенство технологических процессов, качество изделий и достижения в научных исследованиях. В электроизмерительных устройствах используются новейшие достижения электротехники, электроники, автоматики и вычислительной техники. Это способствует повышению быстродействия, чувствительности, точности и других показателей электроизмеригельных приборов, требования к которым непрерывно возрастают.

Электрические методы применяются для измерения как электрических, так и неэлектрических величин. Большую роль играют измерения таких электрических величин, как ток, напряжение, мощность. Эти измерения особенно важны в системах распределения электроэнергии, на электростанциях, в автоматических системах управления производством. Электроизмерительныс приборы и устройства широко используют в промышленности непосредственно для контроля и управления производственными процессами. Это стало возможным и необходимым вследствие того, что электрические методы измерений позволяют проводить измерения на обьектах, находящихся в экстремальных условиях (агрессивные среды, высокие и низкие температуры, давления), измерять крайне малые и очень высокие скорости протекания процессов, исследовать объекты, удаленные на большие расстояния и др. При этом измерению подлежат различные тепловые, механические, оптические и другие неэлектрические величины.

В 30-х г г. Х1Х в. были разработаны гальванометры — приборы для измерения электрического тока (Ь.С. Якоби, !839) — и баллистические гальваномезры для измерения магнигного потока (Э.Х. Ленц, 1832). В 50-е годы были разработаны применяемые до сих пор методы измерений — компенсационный (И. Поггендорф, 1841) и мостовой (Ч.

Уинстон, 1843). В соответствии с требованиями научных исследований, а также практического использования и распределения электрической энергии в 40 — 60-х гг. были разработаны первые конструкции необходи- мых для измерений сопротивлений реостатов (Б.С. Якоби), реохордов (И.Поггендорф) и магазинов сопротивлений. Во второй половине Х1Х в. и в начале ХХ в. выдающийся русский электротехник М.О.Доливо-Добровольский разработал конструкции электромагнитных амперметров и вольтметров, индукционного измерительного механизма, ферродинамического измерительных механизмов. Накопление большого количества новых фактов и закономерностей привело к необходимости введения единых систем электрических единиц и мер.

К 1880 г. на практике использовалось 15 различных единиц электрического сопротивления, восемь единиц ЭДС, пять единиц электрического тока. Это затрудняло общение между учеными и исследователями разных стран и школ, сравнение полученных результатов расчетов и экспериментов. В 1893 г.

на Чикагском электротехническом конгрессе были утверждены международные электрические единицы и эталоны. Много сделали в отношении стандартизации и метрологии Б.С. Якоби и Д.И. Менделеев. По инициативе Д.И. Менделеева впервые в Петербурге при Главной палате мер и весов было организовано отделение для поверки электротехнических приборов. В 30 — 40-х гг. ХХ в. были созданы крупнейшие электроприборостроительные заводы в Ленинграде, Москве, Краснодаре и других городах. С 1948 по 1967 г. объем продукции приборостроения возрос по сравнению с довоенным в 200 раз.

Новые требования, предъявляемые к средствам электроизмерительной техники, обусловливают совершенствование классических типов электроизмерительных приборов и создание новых. Часто электроизмерительные приборы выполняют функции не только измерения, но также сигнализации, контроля и управления. Такое расширение функций средств измерения вызывает увеличение их номенклатуры, возрастание метрологических требований к электроизмерительным приборам, совершенствование стандартов и эталонов Выпускается агрегатированный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ), входящий в государственную систему приборов (ГСП).

Дальнейшее развитие получают электронные (аналоговые и цифровые) измерительные приборы, отличающиеся высокой точностью, помехоустойчивостью, быстродействием и удобством отсчета. Здесь ярко выражено сочетание последних достижений теории электрических измерений с современной микроэлектронной элементной базой.

Разрабатываются измерительные следящие системы, обеспечивающие возможность осуществления массовых измерений и получения потоков измерительной информации, обработки результатов измерений на электронных вычислительных машинах. (Более подробно электронные измерительные приборы рассмотрены в гл.8.) Основные понятия метрологии Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем эксперимента измеряемой физической величины с некоторым ее значением, принятым за единицу. Поэтому измерением называют нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных технических средств. СреДства электрических измерений — технические средства, используемые при электрических измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. К средствам электрических измерений относятся меры, электроизмерительные приборы, измерительные преобразователи, электроизмсритсльные установки и измерительные информационные системы.