Основы электроники и микропроцессорной техники. Лабораторный практикум

И. П. Матвеенко 

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 

И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

Лабораторный практикум

Допущено Министерством образования Республики 
Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся 

учреждений образования, реализующих 

образовательные программы среднего специального 

образования по специальности «Энергетическое 
обеспечение сельскохозяйственного производства 

(электроэнергетика)»

(c электронным приложением)

Минск 
РИПО
2015

УДК 621.31(075.32)
ББК 31.264.5я723

М33

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия общепрофессиональных электротехнических

 дисциплин УО «Буда-Кошелевский государственный 

аграрно-технический колледж» (В. И. Миньков);

профессор кафедры микро- и наноэлектроники УО «Белорусский 
государственный университет информатики и радиоэлектроники», 

кандидат технических наук, профессор Б. С. Колосницын.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги 

или лю бой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министер
ства образования Республики Беларусь.

М33

Матвеенко, И. П.

Основы электроники и микропроцессорной техники. Лабораторный 

практикум : учеб. пособие / И. П. Матвеенко. – Минск : РИПО, 2015. – 
131 с. : ил. + электрон. опт. диск (CD-R).

ISBN 978-985-503-462-0.

Лабораторный практикум подготовлен в соответствии с типовой учебной про
граммой «Основы электроники и микропроцессорной техники». Рассматриваются 
практические вопросы и методика изучения принципов работы элементов электронной техники, аналоговых и цифровых электронных устройств на компьютере с использованием программы схемотехнического проектирования Micro-Cap. 
Приведена методика работы с программой Micro-Cap при создании и анализе 
схем, исследуемых при выполнении лабораторных работ. Для выполнения лабораторных работ к учебному пособию прилагается электронный оптический диск. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования 

по специальности «Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства (электроэнергетика)».

УДК 621.31(075.32)  

 
ББК 31.264.5я723

ISBN 978-985-503-462-0 (отд. изд.)  © Матвеенко И. П., 2015
ISBN 978-985-503-463-7  
         © Оформление. Республиканский институт 

     профессионального образования, 2015

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из наиболее важных факторов ускорения научно
технического прогресса, автоматизации производства, информатизации общества, создания новых высокоэффективных технологий, совершенствования планирования и управления является 
широкое использование современной вычислительной техники 
и программного обеспечения. В связи с этим компьютеризация 
охватывает и такую важную область жизни общества, как образование. Современные информационные образовательные технологии должны способствовать повышению качества обучения и 
формировать у учащихся новое мировоззрение.

Дисциплина «Основы электроники и микропроцессорной тех
ники» играет важную роль в подготовке специалистов по электрификации и автоматизации сельского хозяйства, так как будущие 
техники-электрики наряду с подготовкой по основам электротехнологии и энергетики должны получать глубокие знания в различных областях современной электроники и микропроцессорной 
техники. 

Лабораторный практикум по дисциплине «Основы электрони
ки и микропроцессорной техники» предназначен для организации 
самостоятельной исследовательской (экспериментальной) и практической работы учащихся с целью углубления и закрепления 
теоретических знаний материала, изложенного в учебном пособии 
И.П. Матвеенко «Основы электроники и микропроцессорной техники» (Минск : РИПО, 2012). 

Особенностью настоящего лабораторного практикума является 

то, что все исследования проводятся на компьютере с использованием пакета прикладных программ Micro-Cap.

Порядок изложения материала и содержание лабораторного 

практикума соответствуют программе по данной дисциплине 
для учреждений, обеспечивающих получение среднего специального образования по специальности 2-74 06 31-01 «Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства (электроэнергетика)». 

Каждая лабораторная работа включает: цель работы, подготов
ку к работе, краткие теоретические сведения, методику выполнения работы на компьютере, результаты исследований, содержание 
отчета и контрольные вопросы по данной теме. 

В приложении к лабораторному практикуму приводится по
рядок основных действий, которые позволяют легко освоить программу Micro-Cap и выполнить лабораторные работы.

Некоторые дополнительные действия в программе Micro-Cap 

описываются в лабораторных работах.

Для выполнения лабораторных работ необходимо установить 

на компьютере пакет прикладных программ Micro-Cap версий 9, 10 
или 11 (воспользовавшись ссылкой в сети Интернет www.spectrumsoft.com), а затем переписать файлы лабораторных работ с CDдиска, который прилагается к лабораторному практикуму. 

ВВЕДЕНИЕ

Целью дисциплины «Основы электроники и микропроцессор
ной техники» является изучение элементной базы и основ схемотехники электронных аналоговых и цифровых устройств, принципов построения микропроцессоров и микропроцессорных систем. 
Таким образом у учащихся формируются база знаний в области 
электроники, основы для дальнейшего изучения и применения микропроцессорной техники и практические навыки работы техникаэлектрика. 

Современные образовательные технологии невозможно пред
ставить без использования информационных технологий в учебном процессе. В связи с широким внедрением компьютерной техники в практическую деятельность возникает задача подготовки 
технических кадров именно на этой основе. Будущие техникиэлектрики должны получать глубокие знания в областях современной аналоговой, цифровой и микропроцессорной техники, применения компьютеров для автоматизации различных промышленных 
устройств. 

При использовании информационных технологий важно учиты
вать как знание компьютера учащимся и умение взаимодействовать 
с ним, так и способность использовать компьютер при изучении 
дисциплины как средство для понимания физических процессов в 
элементах электронной техники, принципов построения электронных схем и принципов работы этих устройств. 

Классическое изучение курса «Основы электроники и микро
процессорной техники» основано на использовании макетов электронных устройств, что имеет следующие недостатки:

• электронные элементы при работе с ними учащихся часто вы
ходят из строя, возникает проблема их  замены;

• для измерений требуется специальная дорогостоящая измери
тельная  аппаратура;

• при макетном исследовании трудно учесть многие факторы, 

влияющие на достоверность получаемых данных (разброс параме

тров элементов, влияние климатических условий, возможные отказы элементов и др.).

Поэтому большое значение приобрели методы математиче
ского моделирования и исследования электронных устройств на 
компьютере. К наиболее распространенным в настоящее время в 
отечественной практике системам и программам схемотехнического проектирования в электронике относятся системы Micro-Cap, 
Electronic WorkBench, MathLab.

Программа Micro-Cap является интегрированным редактором 

электрических схем, который позволяет пользователю выполнить 
графический ввод исследуемой схемы и провести анализ ряда ее 
основных характеристик.

В отличие от известных профессиональных, но более сложных 

программ в Micro-Cap после создания схемы не нужно загружать 
другие программы для выполнения анализа. В этой программе объединен современный, основанный на окнах интерфейс пользователя с надежными и мощными алгоритмами числовых вычислений 
и быстрым внутренним цифровым имитатором. В любых режимах 
анализа интерфейс практически не меняется, что заметно облегчает освоение программы. При этом результаты анализа выводятся в 
виде наглядных графиков. Можно относительно легко самостоятельно создать условные графические обозначения отечественных 
компонентов структурных и принципиальных электрических схем 
радиотехнических устройств. 

Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap имеет 

следующие основные характеристики [1]:

• большая библиотека элементов (более 10 тыс. наименова
ний), включающая аналоговые и цифровые интегральные схемы, 
биполярные и полевые транзисторы, диоды, трансформаторы и 
дроссели, источники сигналов различной формы;

• мощный графический редактор электронных схем;
• возможность проведения разных типов анализа как всей схе
мы в целом, так и отдельных ее фрагментов;

• возможность оптимизации электронных схем путем измене
ния параметров элементов;

• возможность задания функциональной зависимости параме
тров схемы (в виде функции времени, токов ветвей и узловых потенциалов). 

В процессе работы с программой Micro-Cap сначала создается 

принципиальная электрическая схема электронного устройства, в 
которую включаются электронные элементы (активные и пассивные аналоговые или цифровые), их соединения, условные обозначения и параметры или типы. 

После этого выполняется моделирование, которое включает 

один из типов анализа данной схемы:

• расчет переходных характеристик (Transient Analysis);
• расчет по постоянному току (DC-Analysis);
• расчет по переменному току (AC-Analysis).
При создании принципиальной схемы используются модели 

компонентов, имеющиеся в библиотеке программы, которые могут быть простыми (имеют малое количество параметров, которые 
можно указывать на схеме) и сложными (имеют большое количество параметров и потому на схеме не указываются). К простым 
моделям можно отнести модели резисторов и конденсаторов, а к 
сложным − модели транзисторов, операционных усилителей и некоторых других элементов.

Выполнить лабораторную работу учащийся может детально, 

не изучая работу с программой Micro-Cap, а придерживаясь определенной рекомендованной последовательности действий. В то 
же время для заинтересованных учащихся имеется возможность 
усложнить задание, повысить уровень понимания программы и работы с ней. 

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВаНИЕ ПОЛуПРОВОДНИкОВых 

ДИОДОВ

Цель работы: изучить систему обозначений, конструкцию и 

принцип работы выпрямительного полупроводникового диода и 
стабилитрона; снять вольт-амперные характеристики и определить 
по ним параметры диодов.

Подготовка к работе

1. 
Ознакомиться с описанием лабораторной работы и подго
товить бланк для выполнения отчета.

2. 
Изучить конструкцию, условные обозначения и принцип 

действия выпрямительных диодов и стабилитронов по материалам 
теоретической части.

3. 
Изучить характеристики и параметры выпрямительных ди
одов и стабилитронов. 

Краткие теоретические сведения

Диодом называют полупроводниковый прибор с одним р–n-пе
реходом и двумя внешними выводами. По назначению диоды разделяются на выпрямительные, высокочастотные, импульсные, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы, фотодиоды, светодиоды 
и др. Диоды изготавливают на основе германия и кремния.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования 

переменного тока низкой частоты в однополярный пульсирующий 
ток. Полупроводниковый диод состоит из двух слоев полупроводника с электропроводностью р- и n-типа, разделенных электроннодырочным, или р–n-переходом.

На границе р- и n-областей за счет градиента концентрации про
исходит диффузия электронов из n-области в р-область полупроводника. В результате диффузии носителей заряда в приграничном 
слое со стороны р-области образуется нескомпенсированный отрицательный заряд, а со стороны n-области – нескомпенсированный 
положительный заряд, обусловленный соответственно отрицатель

ными и положительными ионами. Между этими зарядами возникает электрическое поле напряженностью Едиф (рис. 1.1), которое 
препятствует дальнейшему переходу носителей заряда из одной 
области в другую. 

Рис. 1.1. Образование электронно-дырочного перехода

Таким образом, вследствие рекомбинации электронов и дырок 

на границе раздела двух полупроводников образуется обедненный 
свободными носителями заряда слой, или область пространственного заряда (ОПЗ) (р–n-переход).

Если подключить источник внешнего напряжения к полупро
воднику р-типа положительным полюсом, а к полупроводнику n-типа – отрицательным полюсом (Uпр – прямое включение) 
(рис. 1.2), то внешнее электрическое поле напряженностью Епр 
будет действовать навстречу диффузионному полю Едиф. Тогда напряженность результирующего поля Е = Едиф – Епр, что приведет к 
уменьшению высоты потенциального барьера и уменьшению ширины р–n-перехода. Через р–n-переход потечет ток, который называют прямым током Iпр.

Если подключить источник внешнего напряжения к полупро
воднику р-типа отрицательным полюсом, а к полупроводнику 
n-типа – положительным полюсом (Uобр – обратное включение) 
(см. рис. 1.2), то внешнее электрическое поле напряженностью Еобр
будет действовать в том же направлении, что и диффузионное поле 
Едиф. Тогда напряженность результирующего поля Е = Едиф + Еобр, 
что приведет к увеличению высоты потенциального барьера и ширины р–n-перехода. 

Рис. 1.2. Прямое и обратное включение р–n-перехода 

Поскольку концентрация неосновных носителей значительно 

меньше концентрации основных носителей заряда, определяющих 
прямой ток р–n-перехода, то обратный ток р–n-перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это и 
определяет выпрямительные (вентильные) свойства р–n-перехода, 
т. е. способность проводить ток только в одном направлении.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода, его 

условное графическое изображение и буквенное обозначение приведены на рисунке 1.3. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода Iпр.max и предельно допустимое обратное напряжение Uобр.max.

Стабилитрон представляет собой плоскостной диод, изготов
ленный из кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то при определенном напряжении начинается контролируемый электрический пробой, характеризующийся возрастанием тока при почти неизменном напряжении на стабилитроне.

Напряжение стабилизации Uст стабилитрона определяется на
пряжением пробоя. Рабочий участок на вольт-амперной характеристике (рис. 1.4) ограничен минимально и максимально допустимым током стабилизации Iст.min, Iст.max.