LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике

В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мошкин

LabVIEW:
ПРАКТИКУМ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
 И  МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКЕ

Москва, 2023

2-е издание, электронное

УДК 621.38
ББК 32.973.26-108.2
Б28

Б28
Батоврин, Виктор Константинович.

LabVIEW: практикум по электронике и микропроцессорной технике : 
учебное пособие для вузов / В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, В. В. Мош-
кин. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 183 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — 
Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 
10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-368-4
Книга содержит лабораторный практикум по электронике и микропроцессорной 
технике. Практикум включает лабораторные работы по аналоговой и цифровой 
электронике, разработанные с использованием технологии виртуальных приборов. 
Практическая реализация осуществлена в программной среде LabVIEW с помощью 
инструментальных средств компании National Instruments. Издание предназначено 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Приборостроение» 
и изучающих курс «Электроника и микропроцессорная техника». 
Оно также может быть использовано студентами других направлений подготовки 
и специальностей при изучении курса «Основы электроники» и смежных с ним 
дисциплин.

УДК 621.38 
ББК 32.973.26-108.2

Электронное издание на основе печатного издания: LabVIEW: практикум по электронике и 
микропроцессорной технике : учебное пособие для вузов / В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, 
В. В. Мошкин. — Москва : ДМК Пресс, 2014. — 182 с. — ISBN 978-5-94074-525-9. — Текст : 
непосредственный.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами без  письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность технических 
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность 
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные 
с использованием книги.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами 
защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.


ISBN 978-5-89818-368-4
©  В. К. Батоврин, А. С. Бессонов, 
В. В. Мошкин
© Оформление, ДМК Пресс

Предисловие ................................................................................................................... 7

Введение............................................................................................................................ 9

 1

Исследование характеристик полупроводниковых диодов
и устройств на их основе ........................................................................14
1. Цель работы.........................................................................................14
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................14
3. Описание лабораторного стенда......................................................21
4. Рабочее задание..................................................................................21
5. Контрольные вопросы ........................................................................26

 2

Исследование характеристик тиристора и управляемого
выпрямителя ..............................................................................................27
1. Цель работы.........................................................................................27
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................27
3. Описание лабораторного стенда......................................................34
4. Рабочее задание..................................................................................34
5. Контрольные вопросы ........................................................................ 38

 3

Исследование вольтамперной характеристики туннельного диода ....39

СОДЕРЖАНИЕ

Электроника и микропроцессорная техника
4

1. Цель работы.........................................................................................39
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................39
3. Описание лабораторного стенда......................................................43
4. Рабочее задание..................................................................................43
5. Контрольные вопросы ........................................................................ 48

 4

Исследование характеристик биполярного транзистора ................49
1. Цель работы.........................................................................................49
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................49
3. Описание лабораторного стенда......................................................56
4. Рабочее задание..................................................................................56
5. Контрольные вопросы ........................................................................62

 5

Исследование характеристик полевого транзистора .......................63
1. Цель работы.........................................................................................63
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................63
3. Описание лабораторного стенда..................................................... 70
4. Рабочее задание................................................................................. 70
5. Контрольные вопросы ........................................................................76

 6

Исследование схем на основе операционного усилителя................77
1. Цель работы.........................................................................................77
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................77
3. Описание лабораторного стенда......................................................86
4. Рабочее задание..................................................................................86
5. Контрольные вопросы ........................................................................97

 7

Исследование характеристик аналоговых компараторов
напряжения................................................................................................98
1. Цель работы.........................................................................................98

2. Сведения, необходимые для выполнения работы ............................98
3. Описание лабораторного стенда................................................... 106
4. Рабочее задание............................................................................... 106
5. Контрольные вопросы ..................................................................... 112

 8

Исследование цифровых систем ........................................................ 114
1. Цель работы...................................................................................... 114
2. Сведения, необходимые для выполнения работы ......................... 114
3. Описание лабораторного стенда................................................... 121
4. Рабочее задание............................................................................... 122
5. Контрольные вопросы ......................................................................135

Приложение 1

Подготовка лабораторного стенда.....................................................137
Персональный компьютер ...................................................................137
Многофункциональная плата аналогового и цифрового
вводавывода .........................................................................................137
Макетный коннектор ............................................................................ 141

Приложение 2

Cреда графического программирования LabVIEW ......................... 144
Общие сведения о LabVIEW................................................................ 144
Установка среды LabVIEW ................................................................... 146
Работа с готовыми виртуальными приборами................................... 147
Создание виртуального прибора на базе шаблона .......................... 150
Основные элементы программной среды LabVIEW ..........................157

Приложение 3

Справочные данные некоторых электронных компонентов......... 162
Полупроводниковые диоды ................................................................ 162
Стабилитроны ....................................................................................... 164
Тиристоры............................................................................................. 166
Биполярные транзисторы .................................................................... 167

Электроника и микропроцессорная техника
6

Полевые тразисторы............................................................................ 169
Операционные усилители и компараторы ........................................ 171
Цифровые микросхемы ........................................................................175

Литература

Основная литература............................................................................181
Дополнительная литература.................................................................181

В учебном пособии представлен LabVIEW лабораторный практикум по электронике и микропроцессорной технике на основе виртуальных приборов. Книга
предназначена для студентов, обучающихся по образовательным программам
подготовки бакалавров, дипломированных специалистов и магистров по направлению «Приборостроение» и изучающих дисциплину «Электроника и микропроцессорная техника». Она может быть также использована в качестве учебного пособия
при изучении смежных дисциплин студентами других направлений подготовки
и специальностей. Поэтому все работы лабораторного практикума предваряются
кратким теоретическим введением.
Использование технологии виртуальных приборов в учебном процессе – новое дело, поэтому при выборе тематики работ мы ориентировались на те разделы
курса, которые традиционно сопровождаются выполнением лабораторных работ.
Это, в частности, изучение характеристик основных аналоговых полупроводниковых приборов и устройств на их основе, а также элементной базы цифровых
устройств. По мере накопления опыта использования практикума в учебном процессе предполагается расширить спектр выполняемых работ.
При создании учебного пособия важное место заняла разработка программного обеспечения (свидетельство Роспатента о регистрации № 2003611728 от
22.07.2003 г.). Следует отметить, что Роспатент впервые в России зарегистрировал программное обеспечение представленного типа. При выборе средcтв разработки приложений мы исходили из соображений удобства программирования и
необходимости придания системе лабораторного практикума максимальной гибкости и открытости, включая обеспечение переносимости, масштабируемости и
интероперабельности, с целью формирования потенциала для интеграции в единую информационную образовательную среду. В результате в качестве инструментальной среды разработки был выбран прикладной программный пакет
LabVIEW. Кроме того, мы предполагали, что студенты должны получить возможность выполнения работ как с локального рабочего места в рамках традиционно организованного учебного процесса, так и в режиме удаленного доступа,
используя ресурсы Intranet/Internet сетей. Эта цель достигнута, но надо иметь
в виду, что современные сетевые технологии в сочетании с технологией виртуальных приборов позволяют проводить активный эксперимент с одной рабочей
станции, при этом студенты, работающие на других рабочих станциях, могут

Предисловие

Электроника и микропроцессорная техника
8

только наблюдать за ходом эксперимента. Эта особенность должна учитываться
при создании учебной лаборатории с виртуальными приборами.
Учебное пособие и прикладное программное обеспечение лабораторного
практикума написаны коллективом преподавателей кафедры информационных
систем Московского государственного института радиотехники, электроники и
автоматики (технический университет) – МИРЭА на основе опыта применения
LabVIEW программного обеспечения в учебном процессе. При разработке лабораторной работы № 3 «Исследование вольтамперной характеристики туннельного
диода» использованы материалы, предоставленные Ю. В. Пыльновым.
Все критические замечания и пожелания по содержанию книги и в отношении
программного обеспечения будут с благодарностью приняты авторами. Отзывы
следует направлять по адресу: batovrin@mirea.ru.

Современные информационные технологии предоставляют хорошие возможности для создания новых средств и способов обучения. Одной из важнейших
и наиболее трудных в решении задач здесь является разработка компьютерных
лабораторных практикумов.
Основу лабораторного практикума по любым дисциплинам составляет комплекс средств измерений, соединенных с лабораторными макетами, с помощью
которых воспроизводятся изучаемые явления и процессы. До настоящего времени в учебных лабораториях в основном использовались традиционные измерительные приборы. Современной тенденцией стало применение в учебных целях
компьютерных средств измерений, созданных с использованием технологии виртуальных приборов. Виртуальный прибор (ВП) в учебной лаборатории – это
средство измерений, представляющее собой, как правило, персональный компьютер, снабженный дополнительно специальным прикладным программным обеспечением и различными измерительными модулями, например многофункциональной платой вводавывода. ВП позволяет автоматизировать операции по
сбору, обработке и представлению измерительной информации, имеет удобный
пользовательский интерфейс, а его программные и аппаратные средства поддерживают реализацию функций, присущих традиционному средству измерений, и
обеспечивают представление результатов на экране монитора в удобной для
пользователя форме. Схема ВП, используемого в лабораторном практикуме,
представлена на рис. В.1.
Программное обеспечение ВП может разрабатываться как с помощью стандартных средств, таких как Visual C++, Visual Basic и т. п., так и с помощью программных средств, специально предназначенных для решения задач сбора, преобразования и обработки измерительной информации. Сегодня среди таких
специализированных программных средств наиболее подходящим можно считать прикладной программный пакет LabVIEW компании National Instruments.
Представленные на рынке аппаратные средства автоматизации измерительных процессов и процедур почти всегда комплектуются драйверами под
LabVIEW. Разработка приложений в данной среде ведется визуальными средствами, что не требует от разработчика глубоких знаний программирования.
Для выполнения работ практикума потребуется базовый лабораторный стенд,
оснащенный современным персональным компьютером (ПК), снабженным опеВведение

Электроника и микропроцессорная техника
10

Рис. В.1. Схема виртуального прибора

Введение

рационной системой Windows 9x или более старших версий и специализированным набором аппаратных средств, а также оригинальное прикладное программное обеспечение.
При выборе аппаратных средств, в частности многофункциональной платы
аналогового и цифрового вводавывода, необходимой для создания ВП, мы предпочли плату PCI6024E, предназначенную для установки в PCI совместимые
ПК. При выборе шасси для создания лабораторных макетов мы остановились на
макетном коннекторе SC2075, на котором и собираются электрические схемы
всех лабораторных работ. Эти устройства, выпускаемые компанией National Instruments, сравнительно дешевы и хорошо подходят для решения учебных задач.
На рис. В.2 показан внешний вид лабораторного стенда, а на рис. В.3 – его компоненты: многофункциональная плата вводавывода PCI6024E, макетный коннектор SC2075 и соединительный кабель SH6868EP.

Рис. В.2. Внешний вид базового лабораторного стенда

Рис. В.3. Внешний вид многофункциональной платы вводавывода (1),
макетного коннектора (2) и соединительного кабеля (3)

Электроника и микропроцессорная техника
12

Прикладное программное обеспечение представленного в учебном пособии
лабораторного практикума является оригинальной разработкой авторов книги и
спроектировано в среде LabVIEW версии 7.0. Режим дистанционного доступа
к ресурсам лабораторного практикума реализуется по технологии National Instruments.
Порядок выполнения процедуры инсталляции лабораторного практикума
и инструкции по работе с LabVIEW программным обеспечением, содержатся
в Приложениях П.1 и П.2 и на прилагаемом к книге компактдиске.
Во всех случаях при выполнении приведенных в учебном пособии лабораторных работ студент работает только с лицевой панелью ВП, диаграмма, необходимая для разработки ВП, ему не доступна.
Лицевая панель определяет внешний вид ВП и интерфейс взаимодействия
пользователя с ним. На лицевой панели находятся различные элементы управления ВП (выключатели, переключатели, поля ввода и т. д.) и элементы отображения измерительной информации (цифровые индикаторы, графические экраны
и т. д.). Предоставляемый интерфейс пользователя прост, поэтому при выполнении заданий требуются только обычные навыки владения персональным
компьютером и, конечно, понимание целей и задач, которые ставятся в лабораторной работе.
В зависимости от принятой в конкретной учебной лаборатории методики выполнения работ при их проведении можно реализовать два режима, а именно:
• в процессе занятий студенты самостоятельно собирают исследуемые электронные схемы на наборном поле макетного коннектора, подключают точки
подачи и съема электрических сигналов с помощью заранее заготовленных
проводников к сигнальным линиям платы вводавывода через гнезда зажимного контактора, а потом выполняют необходимые измерения;
• в процессе выполнения лабораторной работы студенты могут только визуально ознакомиться с заранее собранными на макетном коннекторе электрическими схемами, после чего выполнить работу, в частности этот режим
реализуется при работе с практикумом в сетевой Intranet/Internet среде.
Текст учебного пособия написан в расчете на реализацию более сложного первого варианта.
При подготовке к выполнению работ необходимо в первую очередь обратить
внимание на вопросы, содержащиеся в разделе «Сведения, необходимые для
выполнения работы», сопровождающем каждую работу. При этом, помимо теоретического введения, приведенного в каждой работе настоящего пособия, необходимо изучить указанные в тексте задания разделы основной литературы,
в случае необходимости полезно воспользоваться и дополнительной литературой. Списки основной и дополнительной литературы приведены в конце учебного пособия.
Для выполнения лабораторной работы во всех случаях после запуска компьютера необходимо открыть папку с библиотекой LabVIEW и загрузить программу
лабораторной работы (двойной щелчок на имени файла Labn.vi, где n – номер
работы). На экране монитора откроется окно, вид которого показан на рис. В.4.

Введение

Запуск программы осуществляется нажатием на кнопку RUN с изображением стрелки 
.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо ознакомиться с разделом «Описание лабораторного стенда» и последовательно выполнить все указания, приведенные в разделе работы «РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ». По мере выполнения задания на экране монитора могут, в виде подсказок, возникать дополнительные
рекомендации. Результаты измерений и наблюдений можно заносить в отчет сразу
же по мере их получения. Для этого удобно использовать текстовый редактор MS
Word. Предполагается, что студенты владеют основными приемами формирования
и обработки текстов, создания и форматирования таблиц.
При выполнении заданий лабораторного практикума следует ориентироваться
на указанные в тексте значения электрических параметров включения полупроводниковых приборов и электрических схем. Однако незначительные (в пределах
±10%) отклонения от рекомендованных значений допускаются. Кроме того, отметим, что, используя специализированное программное обеспечение практикума, на
собранных макетах можно проводить и дополнительные исследования, не вошедшие в описание работ. Цели и порядок таких работ должны отдельно определяться
преподавателем с учетом возможностей платы вводавывода PCI6024E.
Для удобства составления отчетов по выполненным работам в описаниях приводится рекомендуемый вид таблиц и указания по сохранению экспериментальных данных в электронной форме.
По желанию преподавателя, под руководством которого выполняется работа,
требования к отчетным материалам могут быть дополнены или изменены.
Лабораторный практикум снабжен тремя приложениями. Приложение 1 содержит рекомендации по сборке лабораторных макетов с использованием макетного коннектора SC2075. В приложении 2 приведены сведения по установке
программного обеспечения лабораторного практикума, необходимые сведения
по работе с LabVIEW приложениями и некоторые данные по разработке простых
ВП в среде LabVIEW. В приложении 3 содержатся данные об основных параметрах электронных приборов, подлежащих исследованию при выполнении работ.

Рис. В.4. Внешний вид окна программы LabVIEW

1. Цель работы

Целью работы является:
• исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) выпрямительного полупроводникового диода;
• исследование ВАХ полупроводникового стабилитрона;
• исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:
• устройство, назначение и основные характеристики выпрямительных и специальных полупроводниковых диодов [1, с. 20–42];
• ВАХ полупроводниковых приборов [1, с. 23–25, 33–36];
• схемы включения полупроводниковых диодов [1, с. 22, 34–35];
• принципы построения схем и особенности работы диодных выпрямителей
[1, с. 321–328].
Полупроводниковый прибор, который имеет два электрода и один (или несколько) рnпереходов, называется диодом.
Все полупроводниковые диоды можно разделить на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды, как следует из самого названия, предназначены для выпрямления переменного тока. В зависимости от частоты и формы
выпрямляемого тока они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Специальные типы полупроводниковых диодов используют различные свойства рnпереходов, например явление пробоя, фотоэффект, наличие участков с отрицательным сопротивлением и другие. Специальные полупроводниковые диоды
находят, в частности, применение для стабилизации постоянного напряжения, регистрации оптического излучения, формирования электрических сигналов и т. д.

Исследование
характеристик
полупроводниковых
диодов и устройств
на их основе

1