Электронные устройства автоматики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 85 

Кафедра компьютерных информационных и управляющих 
систем автоматики 

Н.А. Захаров 
М.З. Салихов 

Электронные устройства
автоматики 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2010

УДК 681.5 
 
З-38 

Р е ц е н з е н т  
В.И. Клепиков (НПП «Дозор» ОАО «Концерн КЭМЗ») 

Захаров Н.А., Салихов М.З. 
З-38  
Электронные устройства автоматики: Лаб. практикум. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 71 с. 
 

Цель лабораторного практикума – закрепить знания, полученные на лекциях по курсу «Электронные устройства автоматики». 
Приведены лабораторные работы по изучению дискретных и аналоговых 
электронных устройств и схем. Рассматриваются как статические режимы, так 
и переходные процессы. Изложены необходимые теоретические сведения. 
Соответствует учебной программе курса «Электронные устройства автоматики». 
Предназначен для студентов специальности 210200, но может быть полезен и студентам других специальностей. 
 

 
 Захаров Н.А., 
Салихов М.З., 2010 

СОДЕРЖАНИЕ 

 
Правила поведения в лаборатории.........................................................4 
Теоретическое введение..........................................................................5 
Лабораторная работа 1. Базовые логические элементы..................14 
Лабораторная работа 2. Триггеры.....................................................17 
Лабораторная работа 3. Счётчики.....................................................25 
Лабораторная работа 4. Дешифратор, шифратор, мультиплексор 28 
Лабораторная работа 5. Моделирование простейших схем...........32 
Лабораторная работа 6. Устройства на операционных усилителях40 
Лабораторная работа 7. Цифроаналоговые 
и аналогово-цифровые преобразователи.............................................50 
Лабораторная работа 8. Аналоговые фильтры ................................55 
Лабораторная работа 9. Усилительные каскады 
на биполярном транзисторе..................................................................60 
Библиографический список..................................................................70 
 

ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ В ЛАБОРАТОРИИ 

Перед началом и в ходе выполнения лабораторных работ необходимо: 
1. Ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, находящейся в помещении лаборатории, и строго соблюдать ее. 
2. В случае возникновения неисправности оборудования не пытаться самостоятельно его отремонтировать, проинформировать лаборанта или преподавателя. 
3. Не использовать съемные носители, не записывать файлы на 
компьютер, не списывать файлы с компьютера, не удалять и не создавать файлы, в Интернет не входить. 
Примечание. В ходе выполнения работ рекомендуется делать 
снимки экрана с помощью мобильного телефона или цифрового фотоаппарата, что обеспечивает качественное оформление отчетов на 
компьютере при соблюдении норм безопасности. Оформление отчетов на компьютере не является обязательным. 
 

1.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 

Приведенные ниже лабораторные работы выполняются путем моделирования электронных схем на компьютере в среде Multisim. Разработчиком данной среды является фирма National Instruments 
(США). Подробно работа в Multisim описана в книге [1], ниже приведены краткие сведения, необходимые для выполнения предлагаемых 
работ, но не заменяющие полного описания. Теоретические сведения 
о работе электронных устройств приведены в книгах [2, 3]. 
Для анализа работы схем в Multisim предусмотрено следующее 
виртуальное оборудование: 
1. Вольтметр и амперметр постоянного тока (рис. В1). Находятся 
в подгруппе «Indicators» (Индикаторы). Каждый из приборов имеет 
4 варианта, различающихся между собой расположением положительной и отрицательной клемм. Выбор варианта определяется исключительно удобством расположения прибора на схеме. Вольтметр 
и амперметр используются для измерения параметров в статике. 

 

Рис. В1. Вольтметр и амперметр 

2. Для анализа параметров схемы в динамике используется осциллограф. В Multisim предусмотрено два осциллографа – двухлучевой и 
четырёхлучевой, позволяющие исследовать одновременно два и четыре сигнала соответственно. Двухлучевой осциллограф и подключенный к нему генератор показаны на рис. В2. 

 

Рис. В2. Осциллограф и генератор 

Осциллограф позволяет визуально исследовать форму сигнала, 
измерять напряжение в произвольный момент времени, измерять 
время в абсолютных единицах, а также измерять интервал времени 
между двумя отметками (движками), выставляемыми в нужное место 
осциллограммы. Двойным щелчком на изображении осциллографа 
на схеме открывается экран осциллографа с осциллограммой и настройками (рис. В3). 
На рис. В3 показана осциллограмма сигнала синусоидальной 
формы, поступающего в осциллограф по каналу А. Канал B не подключён. Две засечки – T1 и T2 – расположены в местах двух соседних пиков периодического сигнала. Из осциллограммы видно, что 
амплитуда сигнала составляет 10 В, его период T = T2 – T1 = 100 мс, 
а частота f = 1/T =10 Гц. В нижней части экрана осциллографа расположены его настройки. 
Timebase – это масштаб по времени в единицах времени на деление шкалы (на рисунке показан масштаб 20 мс/дел.), Scale – это масштаб по напряжению в единицах напряжения на деление шкалы. 
Масштаб по напряжению задается индивидуально для каждого канала, на рисунке показан масштаб 10 В/дел. для канала А и 5 В/дел. для 
канала В. Сигналам на осциллограмме можно задавать смещение по 
горизонтальной  оси  X position и индивидуально  для каждого канала 
по вертикальной оси  Y  position. Каждый канал может быть настроен 

Рис. В3.Экран осциллографа 

на работу с сигналом переменного тока (AC), постоянного тока (DC) 
или отключен (0). При настройке канала на работу с переменным током постоянная составляющая сигнала игнорируется. При настройке 
на работу с постоянным током обе составляющие сигнала – постоянная и переменная – отображаются на осциллограмме. В приведенных 
ниже лабораторных работах везде используется настройка DC – сигнал постоянного тока. Прочие настройки осциллографа следует выбирать заданными по умолчанию. 
Четырёхлучевой осциллограф (XSC1 на рис. В4) отличается от 
двухлучевого не только количеством каналов, но и схемой внешних 
подключений и организацией настроек. Его входы однополярные, 
т.е. для подачи на него сигнала достаточно подключить к нему один 
виртуальный провод. Все входные каналы считаются соединенными 
с землёй, это соединение не показывается, чтобы не загромождать 
схему. Источник сигнала также должен быть соединён с землёй. 

Рис. В4. Подключение четырёхлучевого осциллографа 

Экран четырёхлучевого осциллографа показан на рис. В5. Его 
внешний вид аналогичен виду экрана двухлучевого осциллографа. 
Основное отличие состоит в том, что индивидуальные настройки каналов не отображаются одновременно – показывается и доступен для 
изменения один канал, выбранный селектором (круглой ручкой с буквами A, B, C, D вокруг неё).  

 

Рис. В5. Экран четырёхлучевого осциллографа 

Указание. По умолчанию фон экрана осциллографа чёрный. Для 
подготовки отчетов (не обязательно) рекомендуется переключить 
фон экрана на белый нажатием на кнопку «Reverse». Тогда экран 
примет вид, соответствующий рис. В3 и В5. 
4. В качестве источника сигнала используется генератор, показанный на рис. В2 и В4. Окно настроек генератора показано на рис. В6. 

 

Рис. В6. Окно настроек генератора 

Оно открывается двойным щелчком на изображении генератора на 
схеме. В этом окне задается форма (Waveforms), частота (Frequency), 
длительность (Duty Cycle), амплитуда (Amplitude) и смещение (Offset). 
Длительность задаётся в процентах. Для треугольного сигнала это доля периода, в течение которого происходит нарастание напряжения, 
для прямоугольного – это доля периода, в течение которого напряжение на выходе «+» генератора положительно. Для синусоидального 
сигнала этот параметр смысла не имеет. Амплитуда сигнала задается в 
вольтах, милливольтах и т.п. Буква p от английского слова peak в конце обозначения единицы измерения напоминает о том, что задаётся 
амплитудное, а не действующее (среднеквадратичное) значение переменного напряжения. По умолчанию сигнал имеет нулевое смещение, 
т.е. его величина относительно среднего (нулевого) выхода генератора 
находится в диапазоне ±А, где А – заданная в настройках амплитуда 
сигнала. Так, например, чтобы получить на выходе генератора прямо

угольные импульсы величиной 5 В при нулевом значении напряжения 
в паузах между ними, следует задать прямоугольную форму, амплитуду 2,5 В и смещение 2,5 В. Генератор имеет три выходные клеммы – 
общую (средняя), положительную (+) и отрицательную (–). Настройки 
генератора характеризуют напряжение между положительной клеммой и общей клеммой генератора. Напряжение на отрицательной 
клемме находится в противофазе напряжению на положительной 
клемме. Соответственно, амплитуда напряжения между двумя крайними клеммами будет равна удвоенной амплитуде, заданной в настройках. Настройка Set Rise/Fall Time применима только к прямоугольным импульсам, она позволяет задавать время нарастания/спада 
сигнала. В приведенных ниже лабораторных работах используется 
значение по умолчанию 2 нс, т.е. сигнал принимается строго прямоугольным без погрешности.  
5. Графопостроитель частотных характеристик схем Bode Plotter 
(рис. В7) обеспечивает построение амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик устройств. Схема подключения Bode 
Plotter и полученная с его помощью амплитудно-частотная характеристика фильтра нижних частот первого порядка показаны на 
рис. В7. Bode Plotter подключается к входу и выходу анализируемого 
устройства. Для его работы необходимо ко входу устройства подключить генератор. В настройках Bode Plotter можно выбрать между 
амплитудно-частотной (Magnitude) и фазочастотной (Phase) характеристикой, между логарифмическим (Log) и линейным (Lin) масштабом по горизонтальной (Horizontal) и вертикальной (Vertical) оси. 
Отметим, что амплитудно-частотные характеристики особенно наглядно представляются в логарифмическом масштабе по обеим осям. 
Также в настройках Bode Plotter указываются начальные (I) и конечные (F) значения по горизонтальной и вертикальной оси. 
По горизонтальной оси частотных характеристик откладывается 
частота. По вертикальной оси амплитудно-частотной характеристики 
откладывается коэффициент усиления устройства. Для линейного 
масштаба используется безразмерная единица измерения, для логарифмического единицей измерения коэффициента усиления является 
децибел. Коэффициент усиления в децибелах вычисляется по формуле  

 
K = 10 lg(Pout/Pin),  
(В1) 

где Pin и Pout – это мощность сигнала на входе устройства и на его 
выходе соответственно. 

Рис. В7. Bode Plotter и амплитудно-частотная характеристика 

Из этого формального определения видно, что измеряется усиление по мощности. Поскольку для активной нагрузки P = U2/R, выражение (В1) преобразуется к виду 

 
K = 20 lg(Uout/Uin), 
(В2) 

где Uin и Uout – это напряжение сигнала на входе устройства и на его 
выходе соответственно. 

Отметим, что если коэффициент усиления в линейном масштабе 
(безразмерный) меньше единицы, то коэффициент усиления в децибелах будет отрицательным. Так, например, на рис. В7 на амплитудно-частотной характеристике отмечена точка с коэффициентом уси