Рабочая программа Радиофизика и электроника Специальность 010400 физика факультет

Вид материалаРабочая программа

Содержание


I. Объяснительная записка.
II. Содержание учебного материала
2.2 Краткое содержание разделов.
Линейные системы. Методы исследования
Последовательный и параллельный колебательные контуры
Линейные цепи с распределенными параметрами
Нелинейные преобразования в радиофизике.
Основы полупроводниковой электроники
Усиление электрических сигналов.
Генерирование электрических колебаний.
Ш. Тематическое планирование.
IV. Формы промежуточного и итогового контроля.
V. Перечень лабораторных работ по курсу
VI. Учебно-методическое обеспечение.
Подобный материал:


ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


У Т В Е Р Ж Д А Ю

декан физического факультета


_________________проф.Сметанин Е.В.


"____" ________________ 2003 г.


Р А Б О Ч А Я П Р О Г Р А М М А


Радиофизика и электроника


Специальность 010400 - ФИЗИКА

Факультет физический

Курс 3, 4; Семестр 6, 7

Кафедра общей физики

Общая трудоемкость дисциплины: 150 ч.

В том числе:

Лекции (20, 38) 58 ч.

Лабораторные занятия (28, 32) 60 ч.

Самостоятельная работа 32 ч.


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры


"_____"_____________2003г.


Заведующего кафедрой общей физики доц. Л.И. Минеев


^ I. Объяснительная записка.


Курс радиофизики и электроники является одним из основных, обеспечивающих профессиональную подготовку физика. Особенно важен он для овладения основами современного физического эксперимента, автоматизации технологических процессов, анализа и синтеза различных электронных систем и их компьютерного моделирования.

Задача учебного курса радиофизики и электроники - сформировать такой минимум физических, системо-теоретических и фактических знаний, которые обеспечили возможность понимать и анализировать процессы, происходящие в радиоэлектронных цепях различного назначения, умение оценивать влияние на них конструкции и технологии.

В настоящем курсе рассмотрены физические принципы современной радиофизики и электроники, большое внимание уделено линейным цепям с сосредоточенными и распределенными параметрами, полупроводниковым электронным приборам, интегральным микросхемам, основам алгебры логики и элементам информационных систем.

Работа любой радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) может рассматриваться на двух уровнях: алгоритмическом (программном) и физическом. На первом уровне охватывается совокупность преобразований и действий, выполняемых РЭА, с поступающими сигналами, а на втором электрические схемы и конструкции, реализующие данный алгоритм. Основа первой части – методы описания сигналов, модели радиоэлементов и методы анализа преобразования сигналов, выполняемых различными РЭЦ.

Основной формой изложения материала курса являются лекции. На лекции выносится основной программный материал курса. Часть материала выносится на самостоятельное изучение студентами. Важнейшей составной частью изучения курса является использование реальных и компьютерных физических экспериментов, компьютерных программ. В частности широко используется программа Electronics Workdtnch.

Курс радиофизики и электроники дополнен лабораторным практикумом, где студенты приобретают навыки работы с различными электронными приборами, изучают тонкости радиоэлектронного эксперимента, а также программное обеспечение, позволяющее проводить компьютерный синтез и анализ электронных устройств и сравнить его с экспериментальными данными.

Материал курса подобран на основе рекомендаций государственного общеобразовательного стандарта по физике и дополнен разделами, дающими систему знаний по цифровой радиоэлектронике и компьютерному моделированию радиоэлектронных устройств.


^ II. Содержание учебного материала


2.1 Разделы курса.

1. Введение.

2. Сигналы.

3. Линейные системы. Методы исследования.

4. Последовательный и параллельный колебательные контуры.

5. Линейные цепи с распределенными параметрами.

6. Нелинейные преобразования в радиофизике.

7. Основы полупроводниковой электроники.

8. Усиление электрических сигналов.

9. Генерирование электрических колебаний.

10. Шумы.

11. Элементы теории информации.


^ 2.2 Краткое содержание разделов.

1. Введение.

Предмет радиофизики и электроники. Основное содержание курса. Радиофизика - наука о физических явлениях, методах и системах передачи, приема и обработки информации.

2. Сигналы.

Классификация сигналов. Аналоговый и цифровой сигналы. Спектры периодических и непериодических сигналов. Свойства преобразований Фурье и Лапласа.

3. ^ Линейные системы. Методы исследования.

Линейные цепи с сосредоточенными параметрами. Определение и общие свойства линейных цепей. Идеализированные элементы. Символические изображения гармонических составляющих. Дифференцирующие и интегрирующие цепи. Описание спектра сигнала в символическом представлении, переходные характеристики. Фильтры низких и высоких частот. Полосовые -RC фильтры. Комплексный коэффициент передачи электронной цепи. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики электрических цепей.


4. ^ Последовательный и параллельный колебательные контуры.

Свободные колебания в -LC контуре. Вынужденные колебания в последовательном контуре. Метод комплексных амплитуд. Фильтрующие свойства последовательного колебательного контура. Фильтрующие свойства параллельного колебательного контура. Система связанных контуров. Частотные, фазовые и переходные характеристики LC-цепей.


5. ^ Линейные цепи с распределенными параметрами.

Длинные линии, телеграфные уравнения. Линии без потерь, волновые уравнения. Нестационарные процессы в линиях. Реальные линии. Применение отрезков длинных линий. Волноводы. Излучение электромагнитных волн. Элементарный вибратор. Антенны. Радиолокация.


6. ^ Нелинейные преобразования в радиофизике.

Нелинейные элементы в радиоэлектронных устройствах. Аналитический и графический методы анализа нелинейных цепей.

Нелинейные и параметрические преобразования сигналов. Прохождение сигнала через нелинейную цепь. Умножение частоты. Преобразование частоты. Амплитудная и угловая (фазовая и частотная) модуляция. Детектирование амплитудно- и частотно- модулированных сигналов. Синхронное детектирование. Электронные приборы. Электровакуумные приборы. Триод. Статические вольтамперные характеристики. Входная, проходная и выходная характеристики триода. Работа лампы в динамическом режиме. Схема и работа усилителя на триоде. Ионные приборы.


7. ^ Основы полупроводниковой электроники.

Электронные свойства полупроводников. Зонная теория проводимости в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость. Р-n переход. Полупроводниковые диоды. Вольтамперные характеристики. Классификация диодов и их применение. Стабилитроны, варикапы, специальные диоды. Статический и динамический режимы их работы.

Транзистор. Принцип его работы, основные параметры. Входные, проходные и выходные вольтамперные характеристики. Основные схемы включения транзисторов -ОБ, -ОК, -ОЭ. Классификация полевых транзисторов. Униполярные, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, их вольтамперные характеристики. Полевые транзисторы с изолированным затвором, индуцированным и встроенным каналами. Их особенности и вольтамперные характеристики.


8. ^ Усиление электрических сигналов.

Классификация и основные характеристики усилителей. Входной и выходной импедансы. Эмиттерный повторитель. Параметрический стабилизатор. Генератор стабильного тока. Резистивно-ёмкостной каскад усилителя. Многокаскадный усилитель. Коррекция частотной характеристики. Избирательные усилители. Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на основные характеристики усилителей. Усилители постоянного тока, дифференциальный каскад. Усилители мощности с трансформаторной связью и на основе комплиментарных транзисторов.

Операционные усилители. Основные схемы включения - инвертирующий, неинвертирующий и дифференциальный усилители. Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). Фазовые и частотные характеристики операционных усилителей. Влияние отрицательной обратной связи на параметры и характеристики операционных усилителей. Операционный усилитель как базовый элемент функциональных устройств. Сумматор, интегратор, дифференциатор, логарифмический усилитель, релаксационный генератор, триггер Шмитта, фазовращатель, компенсационный стабилизатор напряжения.


9. ^ Генерирование электрических колебаний.

Автоколебательная система, условие баланса амплитуд и условие баланса фаз. Режимы возбуждения электронного генератора. LC-генераторы, схемы Майсснера, Хартли и Колпитца. Двухтактные генераторы. Генератор на операционном усилителе с мостом Вина. Стабилизация амплитуды и частоты сигнала генератора. Релаксационные генераторы. Симметричный RS-триггер. Одновибратор, мультивибратор. Таймер. Водородный стандарт. Мощные автогенераторы СВЧ диапазона. Клистрон. Магнетрон.


10. Шумы.

Характеристики случайного процесса. Тепловые шумы. Избыточные шумы (дробовой шум, контактные шумы, импульсные шумы). Шумы активных элементов. Выделение сигналов из шума.


11. Элементы теории информации.

Цифровая электроника и Булева алгебра. Основные правила алгебры логики. Анализ и синтез логических устройств. Простейшие логические элементы. Таблицы истинности, карты Карно, минимизация логических функций.

Базовые схемы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики и логики на МДП и КМДП структурах.

Устройства последовательной логики. RS-, D-, T-, JK-триггеры. Регистры. Счетчики. Комбинационные логические интегральные схемы. Дешифратор, шифратор, преобразователь кода, мультиплексор и демультиплексор.

Полусумматор, сумматор. Арифметическо-логические блоки. БИС памяти. Элементы импульсных устройств. Генераторы импульсов. Формирователи импульсов.

Количество информации. Передача информации через канал связи. Шумы квантования. Надежность передачи информации.

Устройства цифровой обработки сигналов. Дискретизация и квантование сигналов. Цифро-аналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи. Цифровые фильтры.


^ Ш. Тематическое планирование.






п/п



Наименование разделов, тем.

Всего

часов

(общая

трудо

емкость)


Аудиторные занятия


Самостоятельная работа


лекции


семинары

Лабораторные работы

1

Введение.

1

1










2.

Сигналы.

9

3




4

2

3.

Линейные системы. Методы исследования.

10

4




4

2

4.

Последовательный и параллельный колебательные контуры.

12

4




4

4

5.

Линейные цепи с распределенными параметрами.

10

4




4

2

6.

Нелинейные преобразования в радиофизике.

10

6




4




7.

Основы полупроводниковой электроники.

12

6




4

2

8.

Усиление электрических сигналов.

24

10




12

2

9.

Генерирование электрических колебаний.

12

4




4

4

10.

Шумы.

6

2







4

11.

Элементы теории информации.

42

14




20

8


^ IV. Формы промежуточного и итогового контроля.

По курсу предусмотрено проведение:

двух компьютерных контрольных работ, зачета и экзамена.


^ V. Перечень лабораторных работ по курсу

"Радиофизика и электроника"
  1. Исследование переходных, амплитудно- и фазово-частотных характеристик интегрирующих и дифференцирующих цепей.
  2. Изучение систем с распределенными параметрами. Длинные линии.
  3. Изучение последовательного и параллельного колебательного контуров.
  4. Компьютерное исследование спектров сигналов в радиофизике.
  5. Исследование биполярных и полевых транзисторов.
  6. Исследование основных характеристик усилителя низкой частоты с обратной отрицательной связью.
  7. Исследование основных характеристик усилителя мощности.
  8. Измерение основных параметров операционных усилителей и исследование работы инвертирующих и неинвертирующих схем их включения.
  9. Исследование основных логических элементов и простейших комбинационных устройств.
  10. Исследование триггеров RS- , D- и Т- типов.
  11. Исследование параллельного, последовательного и универсального

регистров.
  1. Исследование счетчиков электрических импульсов.
  2. Исследование основных комбинационных устройств ( дешифратор,

демультиплексор, мультиплексор) и преобразователь кодов на ПЗУ.
  1. Исследование четырехразрядного параллельного сумматора.
  2. Изучение работы цифро-аналогового и аналого-цифрового

преобразователей.

Все лабораторные работы рассчитаны на 4-х часовые занятия.


^ VI. Учебно-методическое обеспечение.


6.1. Рекомендуемая литература (основная).

  1. Основы радиофизики. Под ред. А.С. Логгинова. М., 1996.
  2. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники. - М.: Высшая школа, 1988.
  3. Молчанов А.П., Занадворов П.Н. Курс электротехники и радиотехники. - М.: Наука, 1976.
  4. Гершензон Е.М., Полянина Г.П., Соина Н.В. Радиотехника. - М.: Просвещение, 1986.
  5. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем. М.: Высшая школа, 1989.
  6. Волощенко Ю.И., Мартюшев Ю.Ю.,Никитина И.Н. и др.; Под ред. Петрухина Г.Д. Основы радиоэлектроники. М.: Изд-во МАИ, 1993.


6.2. Рекомендуемая литература (дополнительная).

  1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 2-х т. М.: Мир, 1986.

2.Фолкенбери Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Пер.с англ. М.: Мир 1985.

3.Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высшая школа,1982.


6.3. Другие источники информации по изучаемому курсу.

  1. Методические материалы кафедры общей физики Ивановского

государственного университета. Радиофизика и электроника.

[vo.ac.ru/win1251/fac_phys/genphys/metod.htm]


6.4. Примерный перечень вопросов к экзамену.
  1. Классификация сигналов. Спектр сигнала. Дискретный и непрерывный спектры.
  2. Определение и общие свойства линейных цепей. Элементы электрических цепей. Комплексные сопротивления.
  3. Дифференцирующие цепи. Комплексный коэффициент передачи. Переходные характеристики дифференцирующих цепей.
  4. Интегрирующие цепи. Комплексный коэффициент передачи. Переходные характеристики интегрирующих цепей.
  5. Последовательный колебательный контур, его частотные и переходные характеристики.
  6. Параллельный колебательный контур, его частотные и переходные характеристики.
  7. Фильтры, классификация и примеры пассивных фильтров. (Фильтр Вина).
  8. Линейные и нелинейные элементы радиоэлектронных устройств. Графический и аналитический методы анализа радиоэлектронных схем.
  9. Р-n – переход. Диоды, стабилитроны и варикапы. Их вольтамперные характеристики и применение.
  10. Динисторы, тиристоры и симисторы. Их вольтамперные характеристики и применение.
  11. Биполярные транзисторы. Их устройство и вольтамперные характеристики (ВАХ).
  12. Основные схемы включения транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению, току и мощности различных схем. ВАХ.
  13. Полевые транзисторы с p-n – переходом. Их вольтамперные характеристики, особенности и отличия.
  14. МДП и МОП – транзисторы. Классификация, вольтамперные характеристики, преимущества и недостатки.
  15. Электровакуумные приборы. Триод, его вольтамперные характеристики. Усилительные свойства триода.
  16. Эмиттерный повторитель. Анализ работы, характеристики и применение.
  17. Генераторы стабильного тока. Стабилизация режима “токовым зеркалом”.
  18. Классификация и основные характеристики усилителей. Обратная связь в усилителях.
  19. Резистивно-емкостной каскад усилителя. Расчет параметров схемы. Коэффициент усиления по току и напряжению.
  20. Многокаскадный усилитель. Основные параметры. Коррекция частотной характеристики.
  21. Избирательные усилители, их назначение.
  22. Усилители постоянного тока, дифференциальный каскад.
  23. Операционные усилители, их параметры, особенности и назначение.
  24. Основные схемы включения операционных усилителей.
  25. Операционный усилитель как базовый элемент функциональных устройств (сумматор, генератор и дифференциатор).
  26. Операционный усилитель как базовый элемент функциональных устройств. Логарифмический усилитель, компаратор и триггер Шмитта.
  27. Частотные и фазовые характеристики операционных усилителей.
  28. Однотактный и двухтактный усилители мощности с трансформаторной связью.
  29. Усилитель мощности на комплиментарных транзисторах. Режимы работы усилителя в классах В и АВ.
  30. Автоколебательная система. LC – генераторы. Стабилизация амплитуды и частоты.
  31. Автоколебательная система. RC – генераторы.
  32. Релаксационные генераторы. Схема, принцип работы и применение.
  33. Таймер: назначение, способы включения.
  34. Схема и работа RS – триггера на транзисторах.
  35. Схема и работа одновибратора на транзисторах.
  36. Схема и работа мультивибратора на транзисторах.
  37. Прохождение гармонического сигнала через нелинейную цепь. Амплитудная модуляция и детектирование.
  38. Прохождение гармонического сигнала через нелинейную цепь. Фазовая и частотная (угловая) модуляция и детектирование.
  39. Параметрический стабилизатор напряжения. Схема, анализ работы.
  40. Компенсационный стабилизатор напряжения. Схема, анализ работы.
  41. Принцип работы и схема импульсного стабилизатора напряжения.
  42. Линейные цепи с распределенными параметрами. Волновое уравнение длинной линии. Применение длинных линий.
  43. Цифровая электроника. Цифровой сигнал. Аксиомы, законы, тождества и теоремы алгебры логики.
  44. Логические функции СКНФ и СДНФ. Минимизация функций.
  45. Основные логические элементы. Таблицы истинности и временные диаграммы.
  46. Базовые схемы диодно-транзисторной логики.
  47. Базовые схемы транзисторно-транзисторной логики.
  48. Логические элементы на МДП – структурах.
  49. Логические элементы на КМДП – структурах.
  50. RS – триггеры. Основные схемы и работа синхронных и асинхронных триггеров. Таблица состояний и временные диаграммы.
  51. D - триггеры. Основные схемы построения D - триггеров, таблица состояний и временные диаграммы.
  52. Т - триггеры. Схема, таблица состояний, временные диаграммы. Применение Т – триггеров.
  53. JK – триггеры. Схема, таблица состояний, временные диаграммы.
  54. Последовательные регистры. Схема, принцип работы, применение.
  55. Параллельные регистры. Схема, принцип действия, применение.
  56. Последовательный счетчик электрических импульсов. Схема, принцип работы, назначение.
  57. Параллельный счетчик электрических импульсов. Схема, принцип работы, диаграммы напряжений.
  58. Десятичный счетчик электрических импульсов. Схема, принцип работы, применение.
  59. Комбинационные логические интегральные схемы. Дешифратор. Схема, принцип построения, назначение.
  60. Комбинационные логические интегральные схемы. Шифратор. Схема, принцип построения, назначение.
  61. Комбинационные логические интегральные схемы. Мультиплексор. Схема, принцип построения, назначение.
  62. Комбинационные логические интегральные схемы. Демультиплексор. Схема, принцип построения, назначение.
  63. Комбинационные логические интегральные схемы. Полусумматор, сумматор. Схема, принцип построения, назначение.
  64. Аналого-цифровые преобразователи. Параллельное преобразование.
  65. Аналого-цифровые преобразователи. Метод двойного интегрирования.
  66. Цифро-аналоговые преобразователи на резистивных матрицах R – 2R.
  67. БИС памяти для хранения цифровой информации. Структурная схема, принцип работы.


6.5. Примерная тематика курсовых работ.

По данному предмету курсовые работы не предусмотрены учебным планом.

6.7. Необходимый минимум для получения положительной оценки.

1. Введение.

Предмет радиофизики и электроники. Основное содержание курса. Радиофизика - наука о физических явлениях, методах и системах передачи, приема и обработки информации.

2. Сигналы.

Классификация сигналов. Аналоговый и цифровой сигналы. Спектры периодических и непериодических сигналов.

3. Линейные системы. Методы исследования.

Линейные цепи с сосредоточенными параметрами. Определение и общие свойства линейных цепей. Идеализированные элементы. Символические изображения гармонических составляющих. Дифференцирующие и интегрирующие цепи. Описание спектра сигнала в символическом представлении, переходные характеристики. Фильтры низких и высоких частот. Полосовые -RC фильтры. Комплексный коэффициент передачи электронной цепи. Амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики электрических цепей.

4. Последовательный и параллельный колебательные контуры.

Свободные колебания в -LC контуре. Вынужденные колебания в последовательном контуре. Метод комплексных амплитуд. Фильтрующие свойства последовательного колебательного контура. Фильтрующие свойства параллельного колебательного контура. Система связанных контуров. Частотные, фазовые и переходные характеристики LC-цепей.

5. Линейные цепи с распределенными параметрами.

Длинные линии, телеграфные уравнения. Линии без потерь, волновые уравнения. Волноводы. Излучение электромагнитных волн. Элементарный вибратор. Антенны.

6. Нелинейные преобразования в радиофизике.

Нелинейные элементы в радиоэлектронных устройствах. Аналитический и графический методы анализа нелинейных цепей. Прохождение сигнала через нелинейную цепь. Амплитудная и угловая ( фазовая и частотная) модуляция. Детектирование амплитудно- и частотно- модулированных сигналов. Электронные приборы. Электровакуумные приборы. Триод. Статические вольтамперные характеристики. Входная, проходная и выходная характеристики триода. Работа лампы в динамическом режиме. Схема и работа усилителя на триоде.

7. Основы полупроводниковой электроники.

Электронные свойства полупроводников. Зонная теория проводимости в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость. Р-n переход. Полупроводниковые диоды. Вольтамперные характеристики. Классификация диодов и их применение. Стабилитроны, варикапы, специальные диоды. Транзистор. Принцип его работы, основные параметры. Входные, проходные и выходные вольтамперные характеристики. Основные схемы включения транзисторов -ОБ, -ОК, -ОЭ. Классификация полевых транзисторов. Униполярные, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, их вольтамперные характеристики. Полевые транзисторы с изолированным затвором, индуцированным и встроенным каналами. Их особенности и вольтамперные характеристики.

8. Усиление электрических сигналов.

Классификация и основные характеристики усилителей. Входной и выходной импедансы. Эмиттерный повторитель. Параметрический стабилизатор. Генератор стабильного тока. Резистивно-ёмкостной каскад усилителя. Обратная связь в усилителях. Влияние обратной связи на основные характеристики усилителей. Усилители постоянного тока, дифференциальный каскад. Усилитель мощности.

Операционные усилители. Основные схемы включения - инвертирующий, неинвертирующий и дифференциальный усилители. Фазовые и частотные характеристики операционных усилителей. Операционный усилитель как базовый элемент функциональных устройств. Сумматор, интегратор, дифференциатор, логарифмический усилитель, релаксационный генератор, триггер Шмита.

9. Генерирование электрических колебаний.

Автоколебательная система, условие баланса амплитуд и условие баланса фаз. Режимы возбуждения электронного генератора. LC-генераторы, схемы Майсснера, Хартли и Колпитца. Двухтактные генераторы. Релаксационные генераторы. Симметричный RS-триггер. Одновибратор, мультивибратор.

10. Шумы.

Характеристики случайного процесса. Тепловые шумы. Избыточные шумы (дробовой шум, контактные шумы, импульсные шумы). Шумы активных элементов. Выделение сигналов из шума.

11. Элементы теории информации.

Цифровая электроника и Булева алгебра. Основные правила алгебры логики. Анализ и синтез логических устройств. Простейшие логические элементы. Таблицы истинности.

Базовые схемы диодно-транзисторной, транзисторно-транзисторной, эмиттерно-связанной логики и логики на МДП и КМДП структурах.

Устройства последовательной логики. RS-, D-, T-, JK-триггеры. Регистры. Счетчики. Комбинационные логические интегральные схемы. Дешифратор, шифратор, преобразователь кода, мультиплексор и демультиплексор.

Полусумматор, сумматор. Арифметическо-логические блоки. БИС памяти.

Устройства цифровой обработки сигналов. Дискретизация и квантование сигналов. Цифро-аналоговые преобразователи. Аналого-цифровые преобразователи.


Программу составил доцент Минеев Л.И.