Geum.ru

Программа дисциплины опд. Ф. 02 Электроника и микропроцессорная техника для студентов специальности 200102 «Приборы и методы контроля качества и диагностики»

Вид материалаПрограмма дисциплины

Содержание


Программа дисциплины
1. Цели и задачи дисциплины.
Основными задачами
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Студент должен понимать
I.1. Элементная база электронных устройств.
3.2. Практические занятия
3.4. Курсовые проекты (работы)
3.6. Самостоятельная работа
4.1. Рекомендуемая литература
4.1.2. Дополнительная литература
4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
5. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Подобный материал:

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию



ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)
УТВЕРЖДАЮ




Проректор по учебной работе


С.Б. Бурухин





“______”____________ 200__ г.



ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


ОПД.Ф.О4.02 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА


для студентов специальности 200102

«Приборы и методы контроля качества и диагностики»,

направления 200100 «Приборостроение».


Форма обучения: очная


Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом


Вид учебной работы
Всего часов
Семестр







5
6

Общая трудоемкость дисциплины
190
100
90

Аудиторные занятия
102
51
51

Лекции
51
17
34

Практические занятия и семинары



не предусмотрено

Лабораторные работы
51
34
17

Курсовой проект (работа)



не предусмотрено

Самостоятельная работа
88
49
39

Расчетно-графические работы



не предусмотрено

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)



зачет
экзамен


Обнинск 2008


Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 200100 «Приборостроение»


Программу составили:


___________________ Н.Г.Типикин, доцент, к.т.н.


___________________ Г.Е. Ткаченко, старший преподаватель


Программа рассмотрена на заседании кафедры Электротехники и электроники(протокол № __ от __.__.200_ г.)


Заведующий кафедрой

Электротехники и электроники


___________________ А.А.Абакумов


“____”_____________ 200__ г.


СОГЛАСОВАНО


Начальник

Учебно– методического управления


___________________ Ю.Д. Соколова
Декан

Физико-энергетического факультета


___________________ В.И. Белозеров


“____”_____________ 200__ г.









1. Цели и задачи дисциплины.


Целью изучения дисциплины является теоретическая и практическая подготовка студентов к решению задач анализа и синтеза электронных и микропроцессорных устройств, оценка их основных характеристик.

Основными задачами изучения дисциплины являются формирование умений и навыков по следующим направлениям деятельности:
  • ориентация в основных характеристиках и параметрах электронных и микропроцессорных устройств;
  • вычисление основных характеристик и оценка параметров линейных и нелинейных электронных преобразователей сигналов;
  • овладение методиками анализа и синтеза устройств преобразования сигналов;
  • формирование умений самостоятельного расчёта, анализа и синтеза устройств, использующих электронные элементы;
  • провести экспериментальное исследование характеристик и параметров элементарного электронного устройства и обработку результатов с использованием современных математических программ;
  • использование современной эле­ментной базы - интегральных схем средней, большой и сверхбольшой степени интеграции.
  • владеть знаниями по микропроцессорной технике, архитектуре микропроцессоров, общим основам их организации, их программированию, построению структуры
  • применение электронных устройств в экспериментальных установках и измерительных комплексах.



2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.


В процессе изучения дисциплины "Электроника и микропроцессорная техника" студент должен получить знания по следующему кругу вопросов:

- современные электронные приборы и микроэлектронные элементы, принципы их устройства и работы, основные характеристики;

- основные электронные схемы для осуществления процессов усиления, генерирования, нелинейного преобразования и цифровой обработки электрических сигналов;

- методика расчёта электронных схем.

Студент должен приобрести умение:

- составить принципиальную электрическую схему устройства для заданного преобразования сигнала (усиление, генерирование, нелинейное преобразование и цифровая обработка);

- рассчитать параметры элементарной ячейки (каскада) электронного устройства в соответствии с техническим заданием;

- провести экспериментальное исследование характеристик и параметров элементарного электронного устройства

Студент должен понимать:


  работу современных микропроцессорных систем управления и сбора информации.


3. Содержание дисциплины


3.1. Лекции


5 семестр


Раздел I. Основы электроники (17 часов)

I.1. Элементная база электронных устройств.




Тема 1.1. Электрические переходы. (2 часа)

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства. Основные понятия и термины. Полупроводниковый р-п переход: методы его создания, физические процессы, вольтамперная характеристика (ВАХ) идеализированного диода, емкость перехода. ВАХ реального р-п диода; токи генерации-рекомбинации, сопротивление базы, пробой. Модели полупроводникового диода.

Переходные процессы в диодно-резисторной цепи при скачках токов и напряжений.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник: физические процессы, ВАХ, особенности модели. Гетеропереходы.

Разновидности полупроводниковых диодов: выпрямительные, импульсные, варикапы, стабилитроны, обращенные, туннельные и т.д. Особенности конструкций, параметров, характеристик и моделей. Влияние внешних условий на характеристики и параметры диодов.

Излучательная рекомбинация и генерация носителей заряда под действием излучения. Фоторезисторы. Фотодиоды. Светодиоды. Оптроны.

Литература: §§ 2.1- 2.6; 3.1-3.5. §§2.1- 2.6; 3.1-3.5. §§ 1.1;1.5


Тема 1.2. Биполярные транзисторы. (4 часа)

Структура и принцип действия биполярного транзистора (БТ). Режимы работы. Схемы включения. Коэффициенты передачи токов в статическом режиме. Модель Эберса-Молла. Статические характеристики БТ. Влияние температуры и радиации на характеристики и параметры БТ. Мало сигнальные линейные модели БТ: физические (П-образные и Т-образные) и в виде активных четырехполюсников. Частотные характеристики БТ, граничные частоты. Работа БТ в ключевом режиме. Переходные процессы. Импульсные параметры. Конструктивно-технологические разновидности дискретных транзисторов.

Литература: §§ 2.7; 7.3;7.4. §§ 2.7; 7.3;7.4. § 3.2.


Тема 1.3. Полевые транзисторы. (2 часа)

Классификация полевых транзисторов (ПТ). Устройство и принцип действия ПТ с управляющим р-п-переходом. Физические параметры (сопротивление канала, напряжение отсечки, крутизна). ВАХ в схеме с общим истоком. Модели ПТ с управляющим переходом.

Устройство и принцип действия МДП-транзисторов. ВАХ и параметры МДП-транзисторов. Модели МДП транзисторов.

Работа ПТ в ключевом режиме. Импульсные параметры. Структуры на комплементарных МДП - транзисторах. МДП – структуры специального назначения.

Литература: §§ 2.10; 7.5. §§ 2.10; 7.5. §§ 1.3; 3.2.


I.2. Усилители и генераторы электрических сигналов.


Тема 1.5. Общие сведения об усилителях электрических сигналов. (2 часа)

Классификация. Основные параметры и характеристики. Линейные и нелинейные искажения, шум, фон, динамический диапазон. Структурные схемы усилителей. Обратная связь в усилителях. Характеристики усилителей с обратной связью.

Литература: §§ 4.1; 4.2. §§ 4.1; 4.2. §§ 2.1; 2.2. [4] §18.


Тема 1.6. Усилительные каскады. (3 часа)

Статический режим работы усилительных каскадов. Выбор рабочей точки. Усилительные каскады на биполярном транзисторе ОЭ, ОК, ОБ – основные параметры и свойства. Усилительные каскады на полевых транзисторов. Дифференциальные каскады. Каскодные усилители. Мощные каскады. Бестрансформаторные мощные каскады


Литература: §§ 4.3-4.13. §§ 4.3-4.13. §§ 2.3; 2.4; 2.7. [4] §18.


Тема 1.6. Усилители постоянного тока (УПТ). (2 часа)

Свойства УПТ и особенности их построения. Дрейф нуля и способы его уменьшения. УПТ с преобразованием.

Операционные усилители. Структурная схема операционного усилителя. Характеристики операционных усилителей. Компенсация сдвигов. Ослабление синфазного сигнала. Коррекция частотной характеристики. Основные схемы включения и применения операционных усилителей в линейных и нелинейных схемах.


Литература: §§ 5.3-5.7; 6.1-6.4. §§5.3-5.7; 6.1-6.4. §§ 2.5; 2.6.


Тема 1.7. Генераторы электрических сигналов. (2 часа)

Автоколебания. Общие сведения. Структурная схема автоколебательной системы.

Генерирование синусоидальных колебаний. Стабилизация частоты в автогенераторах. RC-автогенераторы. Генератор на операционном усилителе с двойным Т-образным мостом и мостом Вина в цепи обратной связи


Литература: § 8.6. § 8.6. § 2.9. [4] § 23/


6 семестр

I.3. Источники вторичного электропитания.


Тема 1.8. Источники вторичного электропитания электронной аппаратуры. (2 часа)

Структурная схема выпрямителя. Фильтрация выпрямленного напряжения. Электронные фильтры. Стабилизация напряжения. Электронные стабилизаторы. Использование операционных усилителей в стабилизаторах напряжения.


Литература: §§ 10.1-10.5; 10.7; 10.7;10.10. §2.10. [4] §§ 29-31.


I.4. Линейные и нелинейные преобразователи сигналов.


Тема 1.9. Линейное и нелинейное преобразование сигналов. (2 часа)

Модуляция. Назначение и практическое использование процесса модуляции. Виды модуляции. Амплитудная, угловая, импульсная модуляция.

Детектирование. Назначение и практическое использование процесса детектирования. Детектирование амплитудно-модулированных, частотно-модулированных и фазомодулированных колебаний.

Преобразование частоты. Назначение и практическое использование процесса преобразования частоты.

Умножение и деление частоты.


Литература: §§ 6.2; 6.7-6.9. §§ 6.2; 6.7-6.9. [4] §§ 24-25. §§ 11.15;11.16


I.5. Импульсные устройства.


Тема 1.10. Импульсные устройства. (4 часа)

Генерирование прямоугольных импульсов. Мультивибраторы. Генераторы импульсов пилообразной формы. Генераторы сигналов на операционных усилителях, формирующие сигналы прямоугольной, треугольной и пилообразной формы. Генераторы функций на операционных усилителях.

Ограничение. Назначение и практическое использование процесса ограничения. Диодные ограничители и ограничители-усилители. Ограничение напряжения на операционных усилителях.


Литература: § 6.7; 8.6. § 6.7; 8.6. § 3.7; 3.8.


Раздел II. Основы цифровой электроники

II.1. Логические функции и логические элементы.


Тема 2.1. Цифровые сигналы и логические элементы. (2 часа)

Представление сигнала в цифровой форме и его синтез. Теорема Котельникова. Квантование. Логические сигналы и электрические уровни. Положительная логика и отрицательная логика. Логические функции и их преобразование.

Логические интегральные микросхемы (ИМС). Основные характеристики и параметры логических элементов.


Литература: §§ 8.1; 8.2. §§8.1; 8.2. §§ 3.1;3.3. [4] § 12. §§ 1.1; 1.4; 2.1.


Тема 2.2. Базовые элементы цифровых ИМС. (4 часа)


Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Логические схемы на КМОП транзисторах. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ).

Входы и выходы цифровых микросхем. Классическая и шинная организация связей. Объединения выходов цифровых микросхем. Повторители и буферы. Элементы с тремя состояниями.


Литература: §§ 8.2; 8.3. §§ 8.2; 8.3. §§ § 3.3. [4] § 12. §§ 2.3-2.6.


II.2. Комбинационные и последовательностные логические схемы.


Тема 2.3. Комбинационные цифровые устройства. (2 часа)

Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов.

Мультиплексоры и демультиплексоры. Сумматоры. Цифровые компараторы. Программируемые логические интегральные матрицы.


Литература: §§ 9.8-9.10. §§ 9.8-9.10. § 3.4. [4] § 15; 16. §§ 3.2-3.5.


Тема 2.4. Последовательностные цифровые устройства. (4 часа)

Принцип работы и разновидности триггеров. Триггеры основных типов (RS, JK, D, T- триггеры). Основные схемы включения триггеров. Счетчики. Синхронные счетчики, счетчики для недвоичных сигналов. Регистры. Параллельный и сдвиговый регистры.


Литература: §§ 8.4; 9.1-9.7. §§ 8.4; 9.1-9.7 § 3.5. [4] §§ 13; 14. §§ 4.1; 5.2; 5.3.


II.3. Сопряжение аналоговых и цифровых устройств. ЦАП и АЦП.


Тема 2.5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи. (4 часа)

Основные принципы преобразования сигнала. Частота дискретизации. Выбор частоты дискретизации по свойствам сигнала. Применение АЦП – преобразование аналогового сигнала в цифровое представление. Передаточная характеристика АЦП. Понятие кванта и понятие младшего значащего разряда. Связь между диапазоном входного сигнала АЦП и точностью преобразования. Максимальный выходной сигнал АЦП и связь его с МЗР. Разрешение преобразователя. Точность преобразователя. Время преобразования и производительность преобразователя. Устройство выборки и хранения.

ЦАП - преобразователь кода в выходное напряжение. Структурная схема ЦАП. Базовая принципиальная схема. Точность преобразования. Разрядность и точность преобразования. ЦАП на основе R-2R резистивной матрицы. Принцип работы. Требования к точности резисторов. Схемотехническая реализация.

Принципы построения АЦП. АЦП последовательного типа. АЦП параллельного типа. Двухтактный интегрирующий АЦП. Структурная схема. Временная диаграмма работы. Быстродействие. Разрешение.


Литература: § 3.7. [4] §§ 26-28. §§ 11.4; 11.6;11.8;11.10.


II.4. Запоминающие устройства.


Тема 2.6. Цифровые запоминающие устройства. (2 часа)

Основные понятия и виды запоминающих устройств (ЗУ). Статические и динамические оперативные ЗУ. Постоянные ЗУ. Репрограммируемые, постоянные ЗУ.

Особенности построения, функционирования, характерные параметры ЗУ.

Интегральные микросхемы ЗУ.


Литература: § 3.6. [4] § 17. §§ 6.1-6.5.


Раздел III. Микропроцессорные средства.


III.1. Микропроцессоры – архитектура, система команд.


Тема 3.4 Микропроцессоры и микропроцессорные системы. (4 часа)

Архитектура, параметры, характеристики микропроцессоров. Система команд. Основные элементы микропроцессорных систем.

Микроконтроллеры. Основные элементы приборов на основе микропроцессоров. Системы сбора данных. Устройства регистрации данных.


Литература: §§ 8.1; 8.2.

III.2. Периферийные устройства и организация ввода-вывода Микропроцессоры в измерительной технике и управлении.


Тема 3.5 Периферийные устройства и организация ввода-вывода. (4 часа)

Стандартный интерфейс. Интерфейсы для приборов общего назначения. Параллельный интерфейс. Последовательная передача данных. Интерфейсы периферийных устройств. Электрическая развязка. Согласование по питанию. Буферные устройства для согласования сигналов. Универсальные асинхронные приемники/передатчики.

Применение микропроцессоров в измерительных и управляющих системах.


Литература: §§ 8.3. [7] § 2.5.


3.2. Практические занятия


Не предусмотрены


3.3. Лабораторный практикум


Раздел
Тема лабораторной работы
Число часов

I
1. Свойства и характеристики полупроводниковых диодов.
4

2. Свойства и характеристики биполярных транзисторов.
2

3. Свойства и характеристики полевых транзисторов.
2

4. Усилительный каскад ОЭ.
4

5. Эмиттерный повторитель.
2

6. Усилительный каскад на ПТ.
2

7. Дифференциальный каскад.
2

8. Каскод.
2

9. Интегральный операционный усилитель.
4

10 Операционные схемы.

4

11. Источники вторичного питания.
2

12. Генераторы прямоугольных импульсов.
4

II
13. Транзисторный ключ.
4

14. Логические интегральные элементы
4

15. Шифраторы и дешифраторы.
3

16. Симметричный триггер.
2

17. Регистры.
4



3.4. Курсовые проекты (работы)


Не предусмотрены


3.5. Формы текущего контроля



Раздел
Форма контроля
Вид контроля
Неделя

I
Тестовые задания при выполнении и сдаче лабораторных работ
текущий
7,12,15

Контрольная работа
промежуточный
12,15

II
Тестовые задания при выполнении и сдаче лабораторных работ
текущий
7,12,15

Контрольная работа
промежуточный
12

III
Контрольная работа
промежуточный
15



3.6. Самостоятельная работа


Тема 1.1. Электрические переходы.

Разновидности полупроводниковых диодов: выпрямительные, импульсные, варикапы, стабилитроны, обращенные, туннельные и т.д. Особенности конструкций, параметров, характеристик и моделей. Влияние внешних условий на характеристики и параметры диодов. Излучательная рекомбинация и генерация носителей заряда под действием излучения. Фоторезисторы. Фотодиоды. Светодиоды. Оптроны.

Литература: [1]§§ 8.6; 3.1-3.5.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Свойства и характеристики полупроводниковых диодов».


Тема 1.2. Биполярные транзисторы.

Конструктивно-технологические разновидности дискретных транзисторов.

Литература: [3] § 1.2.8. Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Свойства и характеристики биполярных транзисторов».


Тема 1.3. Полевые транзисторы.

МДП – структуры специального назначения.

Литература: [1] § 2.10. [2] § 2.10. [3] § 1.3.5.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Свойства и характеристики полевых транзисторов».


Тема 1.6. Усилительные каскады.

Мощные каскады. Бестрансформаторные мощные каскады.

Литература: [1] §§ 4.11; 4.12. [2] §§ 4.11; 4.12.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Эмиттерный повторитель».


Тема 2.1 Цифровые сигналы и логические элементы.

Представление сигнала в цифровой форме и его синтез. Теорема Котельникова. Квантование. Логические сигналы и электрические уровни. Положительная логика и отрицательная логика. Логические функции и их преобразование.

Литература: [1] § 8.1. [2] § 8.1. [3] § 3.1.3. [4] § 26.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Логические интегральные элементы».


Тема 2.3. Комбинационные цифровые устройства.

Цифровые компараторы.

Литература: [3] § 3.4.4.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольный тест на лабораторной работе «Шифраторы и дешифраторы».


Тема 2.5. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Двухтактный интегрирующий АЦП. Структурная схема. Временная диаграмма работы. Быстродействие. Разрешение.

Литература: [3] § 3.7.3. [4] § 26.


Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольная работа.


Тема 2.6. Цифровые запоминающие устройства.

Интегральные микросхемы ЗУ

Литература: [3] § 3.6. [4] § 17.

Форма контроля самостоятельной работы по данной теме: контрольная работа.


4.1. Рекомендуемая литература


4.1.1. Основная литература


В библиотеке ИАТЭ имеется в достаточном количестве (0,5 и более книги на чел.):


1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высшая школа,2004.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1996

3. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника.-Ростов н/Д: Феникс,2001

4. Прянишников В.А. Электроника; Полный курс лекций. – СПб.: Учитель и ученик: КОРОНА, 2000.

5. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь. 2000

6. Слекеничс Я.В., Ткаченко Г.Е. Лабораторный практикум по циклу «Электроника». - Обнинск: ИАТЭ,2001.

7. Трофимов А.И. Физические основы генераторных измерительных и энергетических преобразователей. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.


4.1.2. Дополнительная литература

В библиотеке ИАТЭ имеется:


1. Зельдин В.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.

2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983.

3. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон-Р, 2000.


4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины


Для освоения дисциплины, по темам лабораторных работ имеются комплекты обучающих и проверочных тестов.

По темам 1.3, 2.5, 3.4 имеются компьютерные презентации.

Для освоения дисциплины применяется моделирующая Программа Electronics Workbench.


5. Материально-техническое обеспечение дисциплины


Лабораторный практикум проводится в лаборатории «Электроника». По всем темам лабораторных работ имеются соответствующие специализированные лабораторные стенды и макеты. Методические материалы по практикуму представлены в пособии [6].

Рабочие места оснащены комплектом контрольно-измерительных приборов: двухканальным осциллографом, генератором низкочастотных сигналов, генератором импульсов, двумя источниками постоянного напряжения, высокоомным милливольтметром переменного напряжения, цифровым тестером, микроамперметром и миллиамперметром постоянного тока, милливольтметром и вольтметром постоянного напряжения.

Лаборатория располагает также компьютерами, для практики моделирования электронных устройств.