Основы автоматики и микропроцессорной техники. Практикум

А. В. Дробов, 

Ю. Л. Петроченко, 
О. В. Бредихина

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ  

И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

ПРАКТИКУМ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве 

учебного пособия для учащихся учреждений образования,  

реализующих образовательные программы среднего специального  

образования по специальностям «Монтаж и эксплуатация  

электрооборудования», «Городской электрический транспорт»,  

«Автоматизированные электроприводы»

Минск
РИПО
2021

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

Д75

А в т о р ы:

преподаватели УО «Гомельский государственный профессионально- 

технический колледж электротехники»  

А. В. Дробов, Ю. Л. Петроченко, О. В. Бредихина

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия по специальностям «Мехатроника»,  

«Автоматизация технологических процессов и производств»,  

«Программируемые мобильные системы» УО «Минский государственный  

колледж электроники» (Е. Б. Плаксин);  

начальник отдела математического моделирования Республиканского  

научно-производственного унитарного предприятия  

«Центр радиотехники Национальной академии наук Беларуси»  

кандидат технических наук, доцент А. Г. Сеньков

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

Д75

Дробов, А. В.

Основы автоматики и микропроцессорной техники. Практи
кум : учеб. пособие / А. В. Дробов, Ю. Л. Петроченко, О. В. Бредихина. – Минск : РИПО, 2021. – 163 с. : ил.

ISBN 978-985-895-003-3.

Данное учебное пособие содержит методические указания для про
ведения лабораторных и практической работ, необходимые материалы 
для эффективного усвоения и проверки полученных знаний по всем темам типовой учебной программы учебной дисциплины «Основы автоматики и микропроцессорной техники». 

Предназначено для учащихся учреждений образования, реализующих 

образовательные программы среднего специального образования по специальностям «Монтаж и эксплуатация электрооборудования», «Городской электрический транспорт», «Автоматизированные электроприводы». 

УДК 681.5(075.32)

ББК 32.965я723 

ISBN 978-985-895-003-3      
 © Дробов А. В., Петроченко Ю. Л.,  

 
 
 
 
    Бредихина О. В., 2021

 
 
 
              © Оформление. Республиканский институт

 
 
 
 
        профессионального образования, 2021

ПРЕДИСЛОВИЕ 
ПРЕДИСЛОВИЕ 

Цель настоящего учебного пособия – закрепление теорети
ческих знаний и развитие практических навыков решения задач 
по учебной дисциплине «Основы автоматики и микропроцессорной техники».

Практикум содержит основные теоретические сведения, за
дания и порядок выполнения работ, а также примеры их выполнения.

Для закрепления знаний в конце каждой работы даны кон
трольные вопросы.

К выполнению работ допускаются учащиеся:
 
• прошедшие инструктаж по технике безопасности;
 
• ознакомившиеся с целью, основными теоретическими све
дениями и порядком выполнения работы;

 
• изучившие теоретический материал, относящийся к выпол
няемой работе, по рекомендуемым учебным пособиям и т. д. 

По результатам работы каждый учащийся оформляет отчет 

согласно требованиям. Отчет оформляется аккуратно в полном 
соответствии с требованиями к оформлению в электронном виде 
или в тетради для выполнения лабораторных работ. 

Отчет должен содержать:
 
• номер лабораторной работы и наименование темы (для от
чета в электронном виде титульный лист);

 
• цель работы;
 
• перечень оборудования;
 
• задание;
 
• порядок выполнения работы (описание последовательно
сти действий, схемы, таблицы, изображения временных диаграмм 
или графиков, скриншоты тестирования схем и программ);

 
• вывод о результатах исследования.

Основы автоматики и микропроцессорной техники 

При оформлении отчета в электронном виде необходимо 

соб людать следующие требования: левое поле – 3 см, правое 
поле – 1 см, верхнее и нижнее поля – 2 см; шрифт – Times New 
Roman, размер шрифта 14 пт; одинарный междустрочный интервал; абзацный отступ – 1,25.

Допускается использовать полужирное начертание текста.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ 
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ 
ДАТЧИКОВ
ДАТЧИКОВ

Цель: научиться анализировать влияние сопротивления на
грузки на величину выходного напряжения потенциометрического датчика, а также влияние изменения емкости при воздействии входной преобразуемой величины емкостного датчика.

Оборудование рабочего места: персональный компьютер; 

программная среда Electronics Workbench; текстовый процессор 
MS Word; табличный процессор MS Excel.

Основные теоретические сведения
Основные теоретические сведения

Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную 

величину x преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.

К параметрическим датчикам относят датчики активного со
противления, емкостные, индуктивные. К датчикам активного 
сопротивления относят контактные, реостатные, потенциометрические, тензометрические датчики и термометры сопротивления.

В датчике, чувствительным элементом в котором является 

потенциометр – переменный резистор, подвижной контакт механически связан с устройством, параметр которого необходимо 
измерить.

Потенциометрические устройства широко используют для  

преобразования линейного или углового перемещений (входная 
величина) в электрический сигнал (выходная величина).

Конструктивно потенциометрическое измерительное устрой
ство (рис. 1.1) состоит из переменного резистора с движком, к ко

Основы автоматики и микропроцессорной техники 

торому прикреплена жесткая механическая связь с перемещаемым объектом. Потенциометр может быть выполнен линейным 
или круговым. В первом случае измеряют линейные перемещения, во втором – угловые. Обмотку резистора выполняют из металлической проволоки (константа, манганина, изабелина, никелина), навитой на каркас, или металлических пленок. На вход 
потенциометра подается напряжение U1.

4

3

2

l

L
U1

U2

Rп

Rх

1

Х

Рис. 1.1. Потенциометрический чувствительный элемент:  

1 – переменный резистор; 2 – движок потенциометра; 3 – жесткая 

механическая связь; 4 – перемещаемый объект; L – длина  

перемещения движка; X – перемещение объекта; Rп – полное  
сопротивление потенциометра; Rx – измеряемое сопротивление  

ползуна; U1 – входное напряжение; U2 – выходное напряжение датчика

Объект, перемещение X которого необходимо измерить 

через механическую связь, перемещает движок потенциометра 
на то же расстояние X или кратное ему, или на определенный 
угол, в зависимости от конструкции связи.

Напряжение на выходе U2 определяют из выражения

1
1
2

п

,
x
U R
U X
U
kX
R
L




где 
1
U
k
L

– постоянная датчика.

Потенциометрические датчики просты по конструкции, де
шевы. Однако в силу применения движущихся механических 
частей имеют значительную погрешность и низкую надежность.

Лабораторная работа № 1 

Принцип действия емкостных измерительных преобразова
телей (ИП) основан на изменении емкости конденсатора при воздействии входной преобразуемой величины на один из его конструктивных параметров в соответствии с формулой

εε
δ

0
,
S
С 
(1.1)

где ɛ – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ɛ0 – электрическая постоянная, ɛ0 = 8,85 ∙ 10–12 Ф/м; 
S – площадь перекрытия пластин, м2; δ – толщина диэлектрика 
или расстояние между пластинами, м.

Как следует из формулы (1.1), изменение площади пере
крытия пластин S за счет их взаимного перемещения приводит к линейной функции преобразования С = f(X) (рис. 1.2, а). 
В данном случае 

εε
δ

0
,
aX
С 

где а – ширина пластины, м. 

С
С
С

Х
Х
Х
Х

Х

Х

        а                            б                             в

Рис. 1.2. Конструктивные схемы ИП емкостных датчиков

Аналогичным образом могут быть преобразованы и угловые 

перемещения при вращательном движении.

Из формулы (1.1) видно, что при изменении расстояния δ 

между пластинами конденсатора функция преобразования является нелинейной (рис. 1.2, б), поэтому такие ИП используют 
преимущественно для преобразования малых перемещений.

Основы автоматики и микропроцессорной техники 

Емкостные ИП с изменяемой диэлектрической проницае
мостью обладают линейной характеристикой, смещенной относительно начала координат за счет начальной емкости (рис. 1.2, в).

Конструктивно ИП емкостных датчиков могут быть выпол
нены с плоскопараллельными, цилиндрическими, штыревыми 
электродами, с наличием или отсутствием диэлектрика между 
пластинами.

Преобразователи с изменением диэлектрической проницае
мости используют для измерения уровня жидких и сыпучих материалов, анализа состава и концентрации веществ в химической, нефтеперерабатывающей промышленности, температуры, 
давления, а также для подсчета изделий, охранной сигнализации 
и т. п.

Для повышения чувствительности и линейности характе
ристик используют дифференциальные преобразователи, у которых изменение состояния контролируемой величины приводит к изменению емкости одновременно в двух чувствительных 
элементах, включаемых в разные плечи мостовой измерительной схемы. В этом случае формируется реверсивная (двухтактная) статическая характеристика: при изменении направления 
перемещения подвижного элемента ИП фаза выходного сигнала меняется на 180° относительно фазы напряжения питания, 
что фиксируется фазовым детектором. Немаловажное значение 
для повышения чувствительности ИП (чувствительность определяется по формуле S = ∆С/С0, где ∆С – абсолютное изменение 
емкости; С0 – начальная емкость (до измерения)) имеет уменьшение начального значения емкости С0, куда входит и емкость 
измерительной схемы. Если для ИП (см. рис. 1.2, а) значение С0 
может быть сведено к пренебрежимо малым значениям при малом расстоянии между пластинами, то для остальных двух схем 
наличие С0 неизбежно.

Погрешность емкостных ИП, определяемая влиянием тем
пературы и влажности, в значительной степени зависит от оптимального выбора конструкционных материалов и возможностей 
герметизации.

Достоинства емкостных ИП: простота конструкции, малые 

размеры и масса, высокая чувствительность и разрешающая способность, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, возможность функционального преобра

Лабораторная работа № 1 

зования за счет соответствующего выбора формы электродов, 
практически полное отсутствие влияния на объект контроля. 

Недостатки ИП: сравнительно низкий уровень выходного 

сигнала, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды, влияние паразитных емкостей.

Для согласования емкостных ИП, обладающих достаточ
но высоким выходным сопротивлением даже при сравнительно 
высокой частоте питающего напряжения (105–107 Гц) с последующими схемами преобразования, используют операционные 
усилители (ОУ) с высоким входным сопротивлением, которые 
по воз можности располагают в непосредственной близости от ИП 
и тщательно экранируют. Одиночные (недифференциальные) 
ИП обычно включают по схеме делителя напряжения (рис. 1.3, а) 
с использованием инвертирующего усилителя на ОУ с конденсатором (элементом делителя в цепи обратной связи). Конденсаторы С1е, С2е, С3е имитируют емкости элементов схемы относительно экранов или линий связи и практически не оказывают 
влияния на результат измерения, поскольку они подключены 
к низкоомным цепям (емкости С1е и С3е) или к точке с нулевым 
потенциалом (емкость С2е). Выходное напряжение схемы 

1
0
2
.
i
C
U
U C

(1.2)

При указанных на схеме значениях входящих в формулу (1.2) 

параметров U0 = 1 ∙ 9 ∙ 10–12 / 10 ∙ 10–12 = 0,9 В, что совпадает 
с показаниями включенного на выходе вольтметра.

Наиболее простая схема включения дифференциального ИП 

(С1 и С2 на рисунке 1.3, б) реализуется на базе суммирующего 
усилителя (ОУ1 с конденсатором С3 в цепи обратной связи) с питанием ИП двухполярным напряжением от трансформатора Т. 
Показанные на схеме паразитные емкости С1е–С4е по указанным 
выше причинам не оказывают влияния на работу ИП. При единичном коэффициенте трансформации выходное напряжение 
схемы

2
1

0
3
.
i
C
C
U
U
C


(1.3)

Основы автоматики и микропроцессорной техники 

а

б

С1 

[С] / 20 pF / 45 %

С1 

[С] / 20 pF / 45 %

С1 

[С] / 20 pF / 45 %

С2 

[К] / 20 pF / 50 %

          С2 

[К] / 20 pF / 50 %

Ui 

1 V / 10 kHz /  

0 Deg

Ui 

1 V / 10 kHz /  

0 Deg

Ui 

1 V / 10 kHz / 0 Deg

С2 

10 pF

С3 

10 pF

С3e 
10 pF

С4e 
10 pF

С2e 
10 pF

С2e 
10 pF
С2e 
10 pF

С12 
10 pF

С12 
10 pF

С3 
1 nF

С3 
1 nF

С4 
1 nF

С4 
1 nF

С1e 
10 pF

С1e 
10 pF

U0

U0

U0

U0

V

V

1

1

1

2

Т1

–

–

–

–

+

+

+

+

+

+

+

+

+

~

~

в

U0

U0

V

~

Рис. 1.3. Схемы включения ИП емкостных датчиков