Коллектив авторов - История электротехники
Между тем электронные осциллографы продолжали совершенствоваться. Были разработаны электронно-лучевые трубки с термоэлектронными катодами, люминесцентными экранами, высококачественными магнитными и электростатическими линзами. Повышенная яркость изображения позволила отказаться от фотосъемок в вакууме. Применение измерительных усилителей и генераторов развертки привело к созданию осциллографов с калиброванными усилением и разверткой, ставших полноценными средствами измерений мгновенных значений напряжений и интервалов времени. Первый такой осциллограф (модель 511) был разработан в США Дж. Мердоком и X. Воллумом и выпущен в 1946 г. фирмой «Тектроникс» («Tektronix»).
В течение последующих 50 лет было разработано большое число осциллографов различного назначения: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие, многоканальные, многолучевые и др. И только в 80-х годах аналоговые осциллографы начали постепенно вытесняться цифровыми, а также компьютерными средствами измерений.
Элементная база, необходимая для создания аналоговых электронных вольтметров, возникла и стала быстро развиваться с начала XX в.
Одной из первых электронные (катодные) вольтметры выпустила в 1922 г. Кембриджская компания. Эти приборы предназначались для измерений переменных напряжений на двух диапазонах: либо от 0 до 1,5 В, либо от 0 до 10 В. Чуть позже появились вольтметры Сименса, построенные на тетроде. В конце 20-х годов вольтметр Сименса строился уже на четырех электронных лампах; его шкала была практически равномерной в диапазоне 20–300 мВ; приведенная погрешность не превышала 2% в частотном диапазоне 0,5–15 кГц. Главным преимуществом первых электронных вольтметров перед электромеханическими были высокое входное сопротивление при хорошей чувствительности на переменном токе; немаловажное значение имела также их высокая перегрузочная способность.
Для дальнейшего улучшения метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей электронных вольтметров и осциллографов требовалась разработка измерительных преобразователей и, прежде всего, измерительных усилителей. Первые такие усилители удалось построить в конце 20-х годов XX в. американскому ученому Х.С. Блэку.
Х.С. Блэк работал над созданием усилителей для протяженных телефонных линий связи. Из-за большого ослабления полезного сигнала в таких линиях приходилось включать последовательно много усилителей. Однако применение известных в то время усилителей на базе электронных ламп приводило к ограничению полосы пропускания и большим нелинейным искажениям сигнала.
Рис. 12.5. Структурная схема усилителя с последовательной отрицательной обратной связью по напряжениюВ 1927 г. Х.С. Блэк предложил усилитель с отрицательной обратной связью (ООС), построенный по общеизвестной в настоящее время схеме (рис. 12.5), согласно которой усилитель с коэффициентом усиления К охватывается звеном обратной связи с коэффициентом передачи β. При больших значениях Кβ коэффициент усиления такого усилителя равен примерно 1/β, т.е. свойства такого усилителя, например его точность и частотный диапазон, определяются свойствами цепи ООС и мало зависят от значения K.
Идея ООС, глубоко изученная специалистами по теории автоматического управления, была известна очень давно. Еще в III в. до нашей эры идея ООС была описана Архимедом применительно к регулированию водяных часов. Однако изобретение Х.С. Блэка было признано с большим трудом.
Дело в том, что задолго до Х.С. Блэка для увеличения коэффициентов усиления усилителей и генерации колебаний широко использовалась положительная (регенеративная) обратная связь. Отрицательная (вырождающаяся) обратная связь уменьшала коэффициент усиления и считалась безусловно вредной. Поэтому к патентной заявке Х.С. Блэка эксперты отнеслись так же, как к заявке на вечный двигатель, и вынесли положительное решение только спустя 9 лет; первая публикация об изобретении появилась лишь в 1934 г. Очевидно, было очень трудно преодолеть психологический барьер, связанный с тем, что ООС уменьшает и без того малый коэффициент усиления, который практически достигался в то время в схемах на электронных лампах.
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.
