История электротехники

Действительно, первый операционный усилитель, т.е. усилитель постоянного тока с высоким коэффициентом усиления, позволяющий строить измерительные преобразователи, функции и технические характеристики которых определяются в основном свойствами цепи ООС, был построен только в 1942 г. в США. Более совершенный операционный усилитель, выпускаемый как самостоятельное изделие, был разработан в США лишь в 1948 г.

Несмотря на непонимание и трудности начального этапа, теория усилителей с ООС, основы которой начали формироваться в 30-х годах в работах американских ученых Х.С. Блэка, X. Найквиста и Г.В. Боде, стала широко использоваться при разработке измерительных преобразователей, аналоговых, а затем и цифровых измерительных приборов и систем.

Проникновение идей теории автоматического управления и радиоэлектронной элементной базы в электроизмерительную технику позволило резко повысить качество и расширить номенклатуру средств измерений.

Были разработаны автоматические мосты и потенциометры (компенсаторы) постоянного и переменного тока для измерения электрических и неэлектрических величин, телеизмерительные системы, многофункциональные электронные измерительные приборы: мультиметры, осциллографы различного назначения, анализаторы спектра, электронные ваттметры, частотомеры и фазометры, измерительные усилители и генераторы, измерители параметров электрических цепей, приборы для измерения магнитных величин и т.д. В 30–50-х годах это были аналоговые электрорадиоизмерительные приборы и системы, построенные на базе электронных ламп, мировое производство которых достигало сотен миллионов штук в год.

В разработку этих приборов большой вклад внесли отечественные ученые К.Б. Карандеев, Л.Ф. Куликовский, Ф.Е. Темников и многие другие.

Использование радиоэлектронной элементной базы позволило увеличить чувствительность и точность средств измерений, существенно расширить их функциональные возможности. Например, был разработан ряд приборов, основанных на использовании эффекта Холла, которые позволили измерять магнитную индукцию не только в постоянных, но и в переменных, в том числе импульсных, магнитных полях. Без радиоэлектронной элементной базы было бы невозможно создание и других приборов для магнитных измерений, например приборов, использующих дифференциальные ферромодуляционные или ядерно-резонансные измерительные преобразователи.

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.