Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде Multisim

ãÄÅéêÄíéêçõâ èêÄäíàäìå
èé ùãÖäíêéíÖïçàäÖ
à ùãÖäíêéçàäÖ
‚ Ò‰ MULTISIM 

Марченко А. Л., Освальд С. В.

Учебное пособие для вузов

Москва, 2023

2-е издание, электронное

УДК 621.38
ББК 32.973.26.108.2
М30

Р е ц е н з е н т ы: 
доктор технических наук, профессор А. Е. Краснопольский (МИСиС) 
кандидат технических наук, профессор Ю. Е. Бабичев (МГГУ)

М30
Марченко, Алексей Лукич.
Лабораторный практикум по электротехнике и электронике в среде 
Multisim : учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко, С. В. Освальд. — 2-е 
изд., эл. — 1 файл pdf : 449 с. — Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: 
Adobe Reader XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : 
электронный.
ISBN 978-5-89818-403-2

В книге рассматриваются краткие теоретические сведения и расчетные формулы 
по темам 37 лабораторных работ, дано описание схем электрических цепей и 
устройств, сформулированы расчетные задания и задания на проведение экспериментов, 
даны рекомендации к выполнению экспериментов, обработке полученных 
данных и оформлению отчетов по работам с использованием электронной тетради 
лабораторного комплекса LabWorks.
Приведены схемы испытания электронных устройств, смоделированные в программной 
среде NI Multisim.
Издание предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров 550 000 — технические 
науки и по неэлектротехническим направлениям подготовки дипломированных 
специалистов, 650 000 — техника и технологии.
На сайте издательства размещены демонстрационная версия NI Multisim, лабораторный 
комплекс LabWorks и комплект схемных файлов ко всем лабораторным 
работам.

УДК 621.38 
ББК 32.973.26.108.2

Электронное издание на основе печатного издания: Лабораторный практикум по электротехнике и электронике 
в среде Multisim : учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко, С. В. Освальд. — Москва : ДМК Пресс, 
2014. — 448 c. — ISBN 978-5-97060-078-8. — 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 978-5-89818-403-2
© Марченко А. Л., Освальд С. В.
© Оформление, ДМК Пресс, 2014

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

Введение ................................................................................................................ 6

Правила выполнения лабораторных работ .................................................. 9

I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ...................................11

Лабораторная работа 1 (Lr1)
Измерение электрических величин и параметров элементов
электрических цепей .........................................................................................11
Лабораторная работа 2 (Lr2)
Мост постоянного тока .................................................................................... 22
Лабораторная работа 3 (Lr3)
Линейная цепь с двумя источниками постоянного напряжения................... 26
Лабораторная работа 4 (Lr4)
Разветвленная цепь постоянного тока ............................................................ 32
Лабораторная работа 5 (Lr5)
Активный двухполюсник в цепи постоянного тока ....................................... 39
Лабораторная работа 6 (Lr6)
Неразветвленные цепи синусоидального тока................................................ 45
Лабораторная работа 7 (Lr7)
Разветвленная цепь синусоидального тока ..................................................... 53
Лабораторная работа 8 (Lr8)
Резонансы в цепях синусоидального тока....................................................... 61
Лабораторная работа 9 (Lr9)
Индуктивно связанные цепи ........................................................................... 71
Лабораторная работа 10 (Lr10)
Пассивный четырехполюсник ......................................................................... 79
Лабораторная работа 11 (Lr11)
Трехфазные цепи .............................................................................................. 88
Лабораторная работа 12 (Lr12)
Нелинейная цепь постоянного тока ................................................................ 99
Лабораторная работа 13 (Lr13)
Линейные цепи с зависимыми источниками энергии ..................................108
Лабораторная работа 14 (Lr14)
Переходные процессы в неразветвленных электрических цепях .................118
Лабораторная работа 15 (Lr15)
Магнитные цепи постоянного тока................................................................128

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

Лабораторная работа 16 (Lr16)
Линейная электрическая цепь с периодической несинусоидальной ЭДС .....137
Лабораторная работа 17 (Lr17)
Временные характеристики линейных электрических цепей .......................146

II. ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ .......................................................157

Лабораторная работа 18 (Lr18)
Однофазный трансформатор ..........................................................................157
Лабораторная работа 19 (Lr19)
Трехфазные асинхронные двигатели ..............................................................169
Лабораторная работа 20 (Lr209
Двигатели постоянного тока ...........................................................................179

III. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
И УСТРОЙСТВА .............................................................................................189

Лабораторная работа 21 (Lr21)
Полупроводниковые диод, стабилитрон и тиристор .....................................189
Лабораторная работа 22 (Lr22)
Однофазные полупроводниковые выпрямители ...........................................205
Лабораторная работа 23 (Lr23)
Биполярные и полевые транзисторы .............................................................223
Лабораторная работа 24 (Lr24)
Простейшие транзисторные усилители .........................................................238
Лабораторная работа 25 (Lr25)
Электронные устройства на операционных усилителях ...............................260
Лабораторная работа 26 (Lr26)
Аналоговые компараторы напряжения ..........................................................274
Лабораторная работа 27 (Lr27)
Мультивибраторы ............................................................................................284
Лабораторная работа 28 (Lr28)
Генераторы синусоидальных колебаний ........................................................296

IV. ЦИФРОВЫЕ И АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА ......310

Лабораторная работа 29 (Lr29)
Логические элементы и схемы ........................................................................310
Лабораторная работа 30 (Lr30)
Преобразователи кодов ...................................................................................321
Лабораторная работа 31 (Lr31)
Цифровой компаратор ....................................................................................334

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

5

Лабораторная работа 32 (Lr32)
Триггеры...........................................................................................................341
Лабораторная работа 33 (Lr33)
Регистры ..........................................................................................................352
Лабораторная работа 34 (Lr34)
Счетчики ..........................................................................................................362
Лабораторная работа 35 (Lr35)
Цифроаналоговый преобразователь ...............................................................374
Лабораторная работа 36 (Lr36)
Аналогоцифровой преобразователь ..............................................................382
Лабораторная работа 37 (Lr37)
Оптоэлектронные приборы и устройства.......................................................394

Приложение 1
ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС LABWORKS .....................................403

Приложение 2
СРЕДА КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
И АНАЛИЗА СХЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
NI MULTISIM 10 ............................................................................................415

Приложение 3
КАТАЛОГ СХЕМНЫХ ФАЙЛОВ ЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ ....................................................................................................439

Программы, разработанные в среде Borland С++ Builder 6.0 .............443

Ответы на тестовые задания к лабораторным работам .........................444

Список литературы ..........................................................................................446

ÇÇÖÑÖçàÖ

Изучение общепрофессиональной дисциплины «Электротехника и электроника»
в вузах эффективно лишь тогда, когда наряду с овладением основ теории студенты
в условиях проведения лабораторного эксперимента знакомятся на практике с работой электрических цепей и устройств, источниками питания, осциллографом и измерительными приборами.
Основной задачей лабораторного практикума является приобретение студентами
практических навыков подготовки и испытания электрических цепей и устройств, в частности приобретение навыков измерения электрических величин, обработки экспериментальных данных, построения временных и векторных диаграмм электрических величин и характеристик устройств, а также получение экспериментального подтверждения
(с приемлемой точностью) теоретических положений, рассмотренных на лекциях.
Наряду с натурными экспериментами в настоящее время широкое распространение получили компьютерное моделирование и анализ схем электронных устройств
в таких программных средах, как Electronics Workbenсh, DesignLab, Aplac, PSpice,
MicroLogic, LabVIEW, NI Multisim и др.
На этапе начального освоения студентами моделирования электронных устройств
наиболее приемлемым средством является, по нашему мнению, программная среда
NI Multisim 10 (в дальнейшем MS10) группы Electronics Workbenсh (входящей в корпорацию National Instruments), в библиотеке которой более 16 000 электронных компонентов, сопровождаемых аналитическими моделями, пригодными для быстрого
моделирования. Особенностью среды MS10 является наличие контрольноизмерительных приборов, по внешнему виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам.
Большое количество и разнообразие моделей аналоговых, цифровых или смешанных аналогоцифровых приборов и узлов, средств анализа и виртуальных приборов
делает среду MS10 удобным инструментом для визуализации и демонстрации проявления многих фундаментальных явлений и процессов, происходящих в электрических
устройствах.

ǂ‰ÂÌËÂ

7

Моделирование электрических схем устройств в дисплейном классе вуза или дома
и визуализация результатов в виде осциллограмм, графиков характеристик, показаний виртуальных приборов способствуют лучшему пониманию принципов функционирования реальных схем управления и контроля технологическими процессами
производства. Эксперименты на моделях дополняют и расширяют реальные физические эксперименты, так как позволяют исследовать аварийные режимы, недопустимые при натурных испытаниях устройств, замедлить или ускорить развитие электромагнитных процессов в электрических устройствах, что помогает более глубоко
усвоить их сущность.
Количество и перечень лабораторных работ определяют электротехнические кафедры, руководствуясь примерной учебной программой дисциплины «Электротехника и электроника» и направлением подготовки специалистов.
Хорошая подготовка к лабораторной работе (изучение теоретического материала
и выполнение расчетных заданий) – непременное условие эффективности ее выполнения, так как проведение любого эксперимента имеет смысл только в том случае,
если экспериментатор отчетливо представляет себе цель эксперимента и характер
ожидаемых результатов.
Студенты могут воспользоваться готовыми схемами испытания устройств, выполненными в среде MS10 и записанными на прилагаемом к книге компактдиске,
или самостоятельно собрать схему устройства на рабочем поле среды MS10 и, согласно индивидуальному заданию, установить параметры и режимы функционирования компонентов схемы.
Результаты выполнения расчетного задания и заданий на эксперимент обычно
заносятся в типовой бланк отчета, состоящий из титульного листа (на котором указываются наименование кафедры, название и цель работы, фамилия студента и номер его группы), чертежей схем электрических цепей и устройств, исследуемых в лабораторной работе, таблиц для занесения результатов измерений и вычисленных
параметров. В бланке отчета отводятся места для выполнения расчетов, построения
диаграмм, графиков зависимостей электрических величин, для перечня использованных в работе приборов и выводов по работе.
В данном пособии в описании каждой лабораторной работы сформулирована ее
цель, приведены основные расчетные соотношения между электрическими величинами и индивидуальные задания на моделирование электрических схем устройств,
даны рекомендации к оформлению отчета. Описание работ и методические рекомендации к выполнению заданий, продублированные в программном комплексе LabWorks,
даны в объеме, достаточном для проведения необходимых вычислений без обращения к другим источникам информации.
Полученные в результате расчетов и эксперимента числовые данные, а также
скриншоты рисунков схем, осциллограмм и характеристик электронных устройств
рекомендуется заносить в электронную тетрадь, программа которой автоматически
запускается при щелчке мышью на кнопке «Эксперимент» меню пользовательского
интерфейса комплекса LabWorks одновременно с запуском сpеды MS10. Оформлен

ǂ‰ÂÌËÂ

ные отчеты хранятся в электронном виде в базе данных, при необходимости их можно распечатать на принтере.
Автоматизация рутинных операций при оформлении отчетов по работам позволяет студенту уделить больше внимания анализу полученных данных и лучше подготовиться к защите работ за отводимое в учебной программе время.
Предполагается, что, прежде чем приступить к моделированию схемы электрической цепи или устройства (войти в среду MS10), студент самостоятельно проработал
лекционный материал по теме работы, изучил основные теоретические положения и
расчетные соотношения, приведенные в описании работы, выполнил расчет параметров для их установки при моделировании схем устройств, инструкции работы со средами LabWorks и MS10. Для проверки этого предположения в комплекс LabWorks включена программа тестового контроля «на допуск» к моделированию схем.
К пособию прилагается компактдиск, на котором записаны демонстрационная
версия среды компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств
MS10, программный лабораторный комплекс LabWorks, зарегистрированный в
ВНТИЦ Федерального агентства по образованию Российской Федерации (номер государственной регистрации № 50200600397 от 22 марта 2006 г.), и комплект схемных
файлов ко всем лабораторным работам.
Программа MS10 обязательно должна быть установлена до начала выполнения работ на диск персонального компьютера (с ОС Windоws XP, Internet Explorer 6.х и выше,
свыше 128 Mб оперативной памяти, CDROM, 1024x768). Выполнять виртуальные лабораторные работы в среде LabWorks можно непосредственно с компактдиска.
Краткие описания и инструкции работы в средах LabWorks и MS10 даны соответственно в приложениях 1 и 2 пособия. Каталог схемных файлов электротехнических
и электронных устройств приведен в приложении 3.
А. Л. Марченко написаны лабораторные работы Lr1–Lr37 и приложение 2; С. В. Освальд модернизировал программный лабораторный комплекс LabWorks, в который
введен в формате HTML весь материал этой книги, и написал к нему руководство
пользователя (приложение 1).
Авторы считают своим долгом выразить глубокую благодарность рецензентам рукописи пособия д. т. н., профессору А. Е. Краснопольскому (МИСиС) и к. т. н., профессору Ю. Е. Бабичеву (МГГУ) за полезные рекомендации и замечания, учтенные
авторами при окончательной подготовке рукописи к изданию. Авторы благодарят
также студентов МАТИ С. С. Воробьева и А. Г. Иванова за помощь в подготовке
учебных материалов к записи на компактдиски и руководителя инновационных
программ корпорации National Instruments в России П. Р. Сепояна за оказанное содействие в издании этой книги.

èêÄÇàãÄ ÇõèéãçÖçàü
ãÄÅéêÄíéêçõï êÄÅéí

1. Лабораторные работы проводятся в дисплейном классе или дома на персональном
компьютере с использованием программного комплекса LabWorks и полнофункциональной или учебной версии среды NI Multisim 10 (MS10). Краткие описания и инструкции работы в средах LabWorks и MS10 даны соответственно в приложениях 1 и 2.
2. Каждая лабораторная работа состоит из двух частей: расчетной и экспериментальной, выполняемой в виртуальной лаборатории.
3. Прежде чем приступить к моделированию схем устройств, необходимо изучить теоретические сведения по теме лабораторной работы, учебные задания на проведение экспериментов, согласно варианту рассчитать параметры элементов схемы,
а в некоторых работах рассчитать схему цепи.
4. При выполнении работ в дисплейном классе необходимо строго следовать методическим указаниям к конкретной лабораторной работе и выполнять вариант задания (на расчет и эксперимент), номер N которого совпадает с номером записи фамилии студента в учебном журнале группы.
5. Результаты измерений и расчетов рекомендуется заносить в закладки таблиц
электронной тетради, а скриншоты схем устройств, осциллограмм и характеристик,
снятых с окон характериографов, − вставлять на ее страницы. Программа электронной тетради запускается при щелчке мышью на кнопке Эксперимент меню программного комплекса LabWorks одновременно с запуском сpеды MS10 и выводится
на экран дисплея поверх рабочего поля среды MS10.
6. После заполнения данными таблиц и внесения копий рисунков нужно щелкнуть мышью на кнопке Сохранить отчет в формате MS Word меню электронной тетради – шаблона отчета по работе, который конвертируется из формата языка HTML
в формат редактора Word и выводится на экран дисплея. После оформления отчет сохраняется в базе данных и, при необходимости, может быть распечатан на принтере.

7. Полученные расчетные и экспериментальные данные и построенные диаграммы и графики характеристик электрических цепей и устройств комментируются (поясняются) с позиций известных теоретических положений.
8. Оформленный в электронном виде отчет заканчивается выводами по результатам работы и (согласно установленному на кафедре порядку) может (должен) быть
представлен на бумажном носителе.
9. Выполненная в полном объеме лабораторная работа защищается. Перед защитой работы целесообразно ответить на вопросы тестовых заданий к лабораторной
работе, то есть пройти самоконтроль. На защите уделить особое внимание соответствию рассчитанных и экспериментально полученных данных; объяснить их возможные расхождения.

è‡‚Ë· ‚˚ÔÓÎÌÂÌËfl ··Ó‡ÚÓÌ˚ı ‡·ÓÚ

I. ùãÖäíêàóÖëäàÖ
à åÄÉçàíçõÖ ñÖèà

ㇷÓ‡ÚÓ̇fl ‡·ÓÚ‡ 1 (Lr1)
àáåÖêÖçàÖ ùãÖäíêàóÖëäàï ÇÖãàóàç
à èÄêÄåÖíêéÇ ùãÖåÖçíéÇ ùãÖäíêàóÖëäàï ñÖèÖâ

ñÖãú êÄÅéíõ

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источниками питания и осциллографом программной среды MS10.
2. Изучить методы и приобрести навыки измерения тока, напряжения, мощности,
угла сдвига фаз между синусоидальным напряжением и током, а также сопротивлений резисторов, индуктивностей индуктивных катушек и емкостей конденсаторов.

íÖéêÖíàóÖëäàÖ ëÇÖÑÖçàü à êÄëóÖíçõÖ îéêåìãõ

1. Çˉ˚ Ë ÏÂÚÓ‰˚ ËÁÏÂÂÌËfl ˝ÎÂÍÚ˘ÂÒÍËı ‚Â΢ËÌ

В зависимости от способа обработки экспериментальных данных для нахождения
результата различают прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения.
При прямом измерении искомое значение величины находят непосредственно из
опытных данных в результате выполнения измерения, например измерение амперметром тока в ветви цепи.
Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям: например, определение сопротивления R резистора из уравнения R = U/I, в которое подставляют измеренное значение напряжения U
на зажимах резистора и протекающего через него постоянного тока I.
Совместные измерения – одновременные измерения нескольких неодноименных
величин для нахождения зависимости между ними: например, определение зависимости сопротивления резистора от температуры по формуле Rt = R0(1 + аt + bt2)

ùÎÂÍÚ˘ÂÒÍËÂ Ë Ï‡„ÌËÚÌ˚ ˆÂÔË

посредством измерения сопротивления резистора Rt при трех различных температурах
t. Составив систему из трех уравнений, находят параметры R0, a и b зависимости сопротивления резистора от температуры.
Совокупные измерения – одновременные измерения нескольких одноименных
величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, составленных из результатов прямых измерений различных сочетаний этих
величин: например, определение сопротивлений резисторов, соединенных треугольником, посредством измерения сопротивлений между различными вершинами треугольника. По результатам трех измерений по известным соотношениям определяют
сопротивления резисторов треугольника.
Различают также аналоговые и дискретные измерения. При аналоговых измерениях на заданном интервале число измерений электрической величины бесконечно,
а при дискретных – число измерений конечно.
В зависимости от способа применения меры известной величины выделяют при
измерениях метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
При методе непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют
непосредственно по отсчетному устройству (индикатору) измерительного прибора,
например измерение напряжения с помощью вольтметра.
Методы сравнения с мерой – методы, при которых проводится сравнение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой: например, измерение сопротивления резистора с помощью моста сопротивлений.
Ниже кратко описываются виды и способы измерения электрических величин и
параметров компонентов схем электронных устройств с помощью моделей измерительных приборов программной среды интерактивного моделирования и анализа
электронных схем NI Multisim 10 (в дальнейшем, для краткости, эту систему будем называть среда MS10). Порядок установки параметров пассивных и активных элементов
цепей, измерительных приборов и осциллографа приведен в приложении 2.

2. àÁÏÂÂÌË ÚÓ͇ Ë Ì‡ÔflÊÂÌËfl

Мгновенные значения напряжения и тока можно измерить с помощью двухканального осциллографа XSC1, имитируемого программой MS10. Схема подключения осциллографа к цепи рассмотрена в краткой инструкции работы в среде Multisim (см.
демонстрационные кадры, запускаемые при щелчке мышью на кнопках Помощь/
Первые шаги в MS10 меню пользовательского интерфейса программного комплекса
Labworks).
Измерение действующих значений напряжения и тока в ветвях электрической цепи проводится вольтметрами и амперметрами. Амперметр включается последовательно с элементами ветви, а вольтметр – параллельно участку цепи (рис. 1.1а и б),
напряжение на котором необходимо измерить. Модели амперметров и вольтметров
среды MS10 не требуют установки диапазона измерений.
Для установки режима работы и величин внутренних сопротивлений (Resistance)
амперметров А1, А2 и вольтметров V1, V2 нужно дважды нажать на левую клавишу

мыши (в дальнейшем дважды щелкнуть мышью) на изображении соответствующего
прибора, в открывшемся диалоговом окне свойств прибора установить в команде
Mode режим работы (постоянный ток DC или переменный AC), изменить или оставить установленное по умолчанию внутреннее сопротивление прибора (1 нОм для
амперметров и 10 МОм для вольтметров) и нажать на кнопку ОК (Принять). Внутренние сопротивления 1 нОм для амперметров и 10 МОм для вольтметров, установленные по умолчанию, в большинстве случаев оказывают пренебрежительно малое
влияние на работу схем.
В библиотеке Instruments среды MS10 имеется мультиметр ХММ1 (рис. 1.1а), используемый для измерения тока, напряжения и сопротивления. В схеме (рис. 1.1а)
мультиметр, работающий в режиме измерения напряжения, подключается к зажимам резистора R1 с помощью ключа S, управляемого клавишей S клавиатуры. В модели мультиметра ХММ1 устанавливают род тока (постоянный «–» или переменный
«~»), измеряемую величину по единице измерения: A – ток, V – напряжение, Ω – сопротивление, dB – уровень напряжения в децибелах и другие параметры (Settings)
(см. рис. 1.2 справа).
В реальных цепях для расширения диапазона измерения тока конкретным амперметром применяют шунт (тарированный резистор), включаемый параллельно с амперметром. В этом случае значение измеряемого тока равно показанию амперметра,
умноженному на постоянный коэффициент, определяемый по правилу делителя
тока. При измерении больших переменных токов используют измерительный
трансформатор тока, первичная обмотка которого включается в ветвь с измеряемым
током, а вторичная – замкнута на амперметр. Значение измеряемого тока равно показанию амперметра, умноженному на константу, определяемую коэффициентом
трансформации тока измерительного трансформатора.

 Рис. 1.1

a)

àÁÏÂÂÌË ˝ÎÂÍÚ˘ÂÒÍËı ‚Â΢ËÌ Ë Ô‡‡ÏÂÚÓ‚ ˝ÎÂÏÂÌÚÓ‚ ˝ÎÂÍÚ˘ÂÒÍËı ˆÂÔÂÈ

б)