История электротехники

Дальнейшее развитие аналоговой электроизмерительной техники было тесно связано с прогрессом в области электроники.

Появление в 50-х годах новой элементной базы — полупроводниковых приборов, начавших постепенно вытеснять электронные лампы, позволило уменьшить габариты и собственное потребление энергии, повысить надежность, улучшить метрологические характеристики аналоговых средств измерений. Этот процесс еще более усилился с развитием микроэлектроники и появлением интегральных схем. В середине 50-х годов были разработаны первые гибридные интегральные схемы, а в начале 60-х — монолитные интегральные схемы.

В те же годы в США была разработана планарная технология, которая позволила существенно улучшить технические данные транзисторов и легла в основу современных технологий изготовления интегральных схем.

Прогресс в области полупроводниковой электроники быстро отразился на электроизмерительной технике. Уже в 1959 г. американская фирма «Бур-Браун» («Burr-Brown») продавала первые операционные усилители на германиевых транзисторах. В 1960 г. в США был построен первый портативный полупроводниковый осциллограф, а в 1963–1965 гг. созданы первые монолитные интегральные схемы операционных усилителей (модели 702 и 709), явившиеся базой для создания многих узлов аналоговых и цифровых средств измерений.

Аналоговые электронные электроизмерительные приборы, отличающиеся надежностью, хорошими метрологическими характеристиками и низкой стоимостью, широко использовались в течение нескольких десятилетий и продолжают применяться в настоящее время. Так, ламповый мультиметр НР412А с прибором магнитоэлектрической системы на выходе оставался широко распространенным измерительным прибором до конца 70-х годов, а выпущенный в 1966 г. фирмой «Хьюлет-Пакард» («Hewlett-Packard») универсальный полупроводниковый осциллограф типа HP 180А оставался в производстве до 1986 г. Однако с 60-х годов аналоговые средства измерений стали постепенно вытесняться цифровыми.

12.4. ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровые электроизмерительные преобразователи, приборы и системы возникли в результате проникновения идей технической кибернетики, компьютерной техники и радиоэлектронной элементной базы в измерительную технику.

Важную роль при этом сыграл постоянный рост требований к средствам измерений в связи с усложнением, интенсификацией и автоматизацией производства и научных исследований. Новые задачи требовали получения и использования не результатов отдельных измерений, а потоков измерительной информации. Зачастую необходимо получать информацию о тысячах однородных и разнородных измеряемых величин и обрабатывать ее в реальном масштабе времени по сложным алгоритмам. Для решения подобных задач со второй половины XX в. стали создаваться наиболее сложные цифровые средства измерений — информационно-измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы, строящиеся на базе ЭВМ, а также аналоговых, аналого-цифровых и цифровых приборов и преобразователей.

Отличительным признаком цифровых средств измерений является наличие в них измерительных преобразователей аналоговых сигналов измерительной информации в цифровые — аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Эти преобразователи осуществляют дискретизацию сигналов по времени, квантование по значениям и кодирование. Поиск и изучение структур и алгоритмов работы АЦП, создание на их основе все более совершенных цифровых средств измерений шли в тесной связи с развитием радиоэлектроники и вычислительной техники.

Первые цифровые вычислительные машины с программным управлением были построены в 40-х годах. В 1942 г. К. Цюзе в Германии, а в 1944 г. Г. Айкен в США построили такие машины на базе электромагнитных реле с управлением от перфокарты. В 1945 г. идея программного управления вычислительным процессом была четко сформулирована и развита американским математиком Дж. фон Нейманом. А в 1946 г. впервые была публично продемонстрирована ЭВМ на базе электронных ламп, которая строилась в США во время второй мировой войны для военных целей.

Первая отечественная ЭВМ — малая электронная счетная машина — была построена под руководством С.А. Лебедева в 1949–1951 гг., а в 1952–1954 гг. была создана быстродействующая электронная счетная машина (БЭСМ). Эта машина, для построения которой потребовалось около 5000 электронных ламп, выполняла 8000 операций в секунду и была в свое время одной из самых быстродействующих.

С начала их появления ЭВМ стали использоваться не только для решения математических задач, но и для построения систем автоматического управления. Для работы таких систем требуется получение измерительной информации от объектов управления и представление ее в цифровой форме, «понятной» ЭВМ.

На пути к ЭВМ эта информация подвергается ряду преобразований. Так, при измерениях неэлектрических величин они обычно преобразуются сначала в электрические с помощью чувствительных элементов (первичных измерительных преобразователей, датчиков), затем в стандартные аналоговые сигналы (например, в постоянное напряжение от 0 до 10 В) с помощью аналоговых измерительных преобразователей и только потом в цифровые сигналы с помощью АЦП. Этот канал аналого-цифрового преобразования может содержать еще целый ряд преобразователей: усилители, устройства линеаризации, фильтры, преобразователи кодов и т.д. Некоторые из перечисленных преобразователей могут в канале отсутствовать, но наличие АЦП обязательно. Это обстоятельство явилось мощным стимулом для создания и совершенствования этих преобразователей.

Управление объектами обычно производится с помощью аналоговых сигналов, в то время как ЭВМ вырабатывает цифровые сигналы. В связи с этим потребовалась разработка нового класса измерительных преобразователей — цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Разработка ЦАП стимулировалась потребностями не только систем автоматического управления. Они нашли широкое применение в различных областях техники, в том числе и при разработке различных средств измерений: цифровых мультиметров, измерительных генераторов, калибраторов напряжения и т.д. Кроме того, ЦАП начали применяться для построения АЦП.

Таким образом, АЦП и ЦАП легли в основу создания нового класса средств измерений — цифровых измерительных приборов (ЦИП) и информационно-измерительных систем. ЦИП в отличие от АЦП предназначены для самостоятельного применения и представляют результат измерения в форме, пригодной для восприятия человеком. Поэтому все ЦИП имеют цифровые отсчетные устройства, построенные на базе цифровых индикаторов различных видов: газоразрядных, электролюминесцентных, жидкокристаллических, светодиодных и др. Однако неотъемлемой частью всех ЦИП является АЦП.

Создание ЦИП и информационно-измерительных систем началось в 50-е годы. К тому времени в различных областях науки и техники имелись достижения, значительно упростившие и ускорившие этот процесс. Были разработаны основы теории линейных, нелинейных и импульсных систем, модуляции и кодирования, анализа и синтеза логических схем, передачи сигналов. Накоплен опыт разработки и эксплуатации первых ЭВМ и телеизмерительных систем. Темпы создания средств цифровой электроизмерительной техники определялись в основном скоростью развития радиоэлектронной элементной базы.