Электротехника и электроника : электротехника на оборудовании National Instruments

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2122 

Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники

М.В. Колистратов 
Л.А. Шапошникова 
 

Электротехника и электроника

Электротехника на оборудовании  
National Instruments 

Лабораторный практикум 

Под редакцией доцента Л.А. Шамаро 

Рекомендовано редакционно-издательским советом  
университета 

Москва  2012 

УДК 621.3 
 
К60 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. А.А. Бекаревич 

Колистратов, М.В. 
К60  
Электротехника и электроника : электротехника на оборудовании National Instruments : лаб. практикум / М.В. Колистратов, Л.А. Шапошникова ; под ред. Л.А. Шамаро. – М. : Изд. 
Дом МИСиС, 2012. – 79 с. 
 

Изложены основные теоретические сведения и расчетные формулы для 
лабораторных работ по электронике. Приведены описания схем электрических устройств, смоделированных на оборудовании National Instruments. Даны общие методические рекомендации к выполнению лабораторных работ, 
обработке данных и оформлению отчетов о работах. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150100, 
210100, 220700, 222900, 230100, 230400, 230700, 231300 при выполнении лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника». 
 

 
© М.В. Колистратов,  
Л.А. Шапошникова, 2012 

СОДЕРЖАНИЕ 

Правила работы в компьютерном классе...............................................4 
Правила выполнения лабораторных работ ............................................5 
Содержание отчета о лабораторной работе ...........................................6 
Описание оборудования...........................................................................7 
Лабораторная работа 1. Исследование характеристик  
биполярного транзистора и работы усилителей сигнала......................9 
Лабораторная работа 2. Исследование характеристик тиристора  
и управляемого выпрямителя................................................................28 
Лабораторная работа 3. Исследование схем на основе  
операционного усилителя......................................................................38 
Лабораторная работа 4. Исследование цифровых схем......................56 
Библиографический список...................................................................77 
Приложение. Пример оформления титульного листа  
лабораторной работы .............................................................................78 
 

ПРАВИЛА РАБОТЫ В КОМПЬЮТЕРНОМ 
КЛАССЕ 

1. Работающим в компьютерном классе не разрешается находиться в верхней одежде, иметь при себе продукты питания. 
2. Во время работы в компьютерном классе должна соблюдаться 
тишина. 
3. При работе в компьютерном классе категорически запрещается: 
– без разрешения преподавателя включать или выключать компьютер, лабораторное оборудование; 
– переключать кабели питания, соединительные кабели компьютера и монитора; 
– запускать программы, не используемые при выполнении лабораторной работы; 
– класть сумки, портфели на компьютерный стол; 
– записывать рабочие файлы в директории на жестком диске 
и/или на сменные диски; 
– перенастраивать параметры используемой программы; 
– изменять пароль входа в систему; 
– пользоваться папкой «Панель управления»; 
– открывать жесткие диски, не используемые при выполнении лабораторных работ; 
– оставлять рабочее место, не предупредив об этом преподавателя; 
– загрязнять рабочее место. 
4. По окончании работы в компьютерном классе студент должен 
сдать рабочее место в порядке. 
5. При неполадках в работе компьютера и лабораторного оборудования студент должен сообщить об этом преподавателю, ведущему 
занятия. 

ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ 
РАБОТ 

1. Лабораторные работы проводятся в компьютерном классе с 
применением образовательной платформы NI ELVIS II и специальным программным обеспечением, написанным на языке LabVIEW. 
2. Для допуска к выполнению лабораторных работ студент обязан 
ознакомиться с правилами работы в компьютерном классе и правилами техники безопасности.  
3. К началу лабораторной работы студенту необходимо ознакомиться с ее содержанием, изучить теоретические сведения по теме 
лабораторной работы, подготовить отчет для внесения экспериментальных данных и выполнения расчетов. 
4. Полученные в ходе выполнения работы результаты студент 
должен занести в отчет о лабораторной работе. 
5. При анализе результатов лабораторной работы полученные 
расчетные данные и характеристики необходимо прокомментировать 
(пояснить) с позиций известных теоретических положений. 
6. Выводы по результатам лабораторной работы следует занести в 
отчет. 
7. Студент должен защитить оформленную лабораторную работу. 
К защите допускаются студенты, получившие допуск, выполнившие 
лабораторную работу в полном объеме задания и оформившие ее в 
соответствии с настоящими правилами. 
8. Для защиты лабораторной работы необходимо представить 
расчетно-графический экспериментальный результат и уметь объяснить его, а также ответить на вопросы преподавателя. 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА О ЛАБОРАТОРНОЙ 
РАБОТЕ 

Лабораторная работа оформляется в виде отчета на скрепленных 
листах формата А4 (или в лабораторной тетради) с титульным листом (см. прил.). Схемы, графики и таблицы должны быть начерчены 
карандашом с использованием трафарета или линейки с соблюдением принятых стандартных условных обозначений. 
Отчет о лабораторной работе должен содержать следующие пункты: 
1. Наименование лабораторной работы. 
2. Цель работы. 
3. Краткое теоретическое введение и расчетные формулы. 
4. Электрические схемы цепей с измерительными приборами. 
5. Таблицы с расчетными и экспериментальными данными. 
6. Графики, временные диаграммы, вольт-амперные характеристики (ВАХ). 
7. Выводы по результатам лабораторной работы. 

ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ 

Образовательная платформа NI ELVIS II (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II) служит для выполнения лабораторных работ, макетирования, разработки и анализа 
электротехнических и электронных схем. На рис. 1 представлен 
внешний вид лицевой панели платформы ELVIS II и приведены ее 
основные функциональные возможности. 

 

Рис. 1. Образовательная платформа NI ELVIS II 

Панель управления рабочей станции содержит простые в обращении ручки управления источниками питания и функциональным генератором сигналов, а также предлагает удобное подключение и 
функционирование таких приборов, как функциональный генератор 
сигналов, осциллограф, цифровой мультиметр с разъемами BNC и 
разъемами штекерного типа. Схема расположения компонентов на 
панели управления рабочей станции приведена на рис. 2. 
NI ELVIS II подключается к ПК с помощью USB кабеля, а через блок 
питания, идущий в комплекте с устройством, к внешнему источнику 
питания с напряжением 220 В. На задней панели NI ELVIS II переключатель необходимо перевести в положение «|». В этот момент на лицевой панели оранжевым цветом загорается индикатор Active. На рабочем 
столе появляется диалоговое окно New Data Acquisition Device, а на лицевой панели NI ELVIS II оранжевым цветом загорается индикатор 
Ready. Для работы с макетной платой необходимо перевести на лицевой 
панели NI ELVIS II переключатель Prototyping Board в положение «|», 
в этот момент индикатор Power загорается зеленым светом. 

Рис. 2. Рабочая станция NI ELVIS II:1 – макетная плата NI ELVIS II;  
2 – плавкий предохранитель мультиметра; 3 – клеммы для 
подключения к мультиметру; 4 – разъемы для подключения  
к осциллографу; 5 – разъем выхода функционального генератора или 
входа цифрового запуска; 6 – монтажное отверстие под винт на 
макетной плате; 7 – разъем для подключения макетной платы;  
8 – выключатель питания макетной платы; 9 – световые индикаторы 
статуса; 10 – элементы управления регулируемыми блоками питания; 
11 – элементы управления функциональным генератором 

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК 
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА И РАБОТЫ 
УСИЛИТЕЛЕЙ СИГНАЛА 

1.1. Цель работы 

Изучение основных вольт-амперных характеристик биполярного 
транзистора, применения его в схемах усиления электрических сигналов, анализ работы и параметров однокаскадных усилителей  

1.2. Теоретическое введение 

В качестве активного элемента в устройствах усиления сигналов 
используют трехэлектродные элементы, к которым относятся транзисторы.  
Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный 
для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти 
гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). 
Наиболее применяемые транзисторы: 
биполярные транзисторы, в которых используются полупроводниковые материалы (например, кремний, германий) с n- и p-типами 
проводимости; 
полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов с одним типом проводимости. 
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-п-переходами, образованными тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от 
порядка чередования этих областей различают транзисторы р-п-р- и 
п-р-п-типа. Их условные обозначения и устройство приведены на 
рис. 1.1. 
Средний слой называют базой (Б), один из крайних слоев называют эмиттером (Э), другой – коллектором (К). Концентрация легирующей примеси в эмиттере больше, чем в коллекторе. База легирована слабее эмиттера и коллектора. 
 

Рис. 1.1. Условные обозначения и устройство транзисторов р-n-р (а) и 
n-р-n (б) типов  

Направление стрелки эмиттера указывает на электрод с n-типом 
проводимости: если стрелка направлена к базе, то база имеет n-тип 
проводимости, если стрелка направлена от базы – n-проводимость 
имеет эмиттер. На некоторых схемах транзистор изображается без 
кружочка. 
Толщина базы составляет несколько микрометров. Толщина эмиттера и коллектора составляет несколько десятков микрометров для 
транзисторов малой и средней мощности. 

1.2.1. Принцип работы биполярного транзистора 

Рассмотрим принцип работы биполярного транзистора на примере 
транзистора п-р-п-типа. Для данной структуры (рис. 1.2) п-область 
(левая часть рис. 1.2) называется эмиттером. Из нее инжектируются 
электроны в соседнюю р-область (средняя часть рис. 1.2), называемую базой. В правой п-области, называемой коллектором, происходит экстрактирование электронов из базы. Соответственно примыкающий к эмиттеру р-п-переход (П1) называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору (П2) – коллекторным. Металлические выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами. 
Приложим к эмиттерному переходу прямое (Uбэ), а к коллекторному – обратное (Uкб) напряжение. В результате через эмиттерный 
переход П1 в область базы будут инжектироваться электроны, образуя эмиттерный ток транзистора Iэ. Поток электронов, обеспечивающий ток Iэ через переход П1 показан на рис. 1.2 широкой стрелкой. 
Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда – дырками, 
образуя ток базы I'б (см. рис. 1.2). Другая часть инжектированных 

Рис. 1.2. Структура биполярного транзистора п-р-п-типа 

электронов, которая достигает коллекторного перехода (П2) с помощью 
электрического поля, создаваемого напряжением Uкб, экстрактируется в 
коллектор, образуя через переход П2 коллекторный ток I'к. Уменьшение 
потока электронов через коллекторный переход (а следовательно, и 
коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный 
переход определяется следующим соотношением:  

 
к
э
'I
I
= α
, 

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.  

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток Iкб0, образованный потоком из n- в p-область неосновных для 
коллекторной области носителей заряда – дырок, который совместно 
с током I'к образует выходной ток транзистора  

 
к
к
кб0
'
I
I
I
=
+
  

и ток в базовом выводе  

 
б
б
кб0
'
I
I
I
=
−
. 

Следовательно, 

 
к
э
кб0
э
I
I
I
I
= α
+
≅ α
. 

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа представляет собой базовый ток 

 
б
э
к
I
I
I
=
−
.