Примерная программа дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств» Рекомендуется для направления подготовки

Вид материала

Содержание

Подобный материал:

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Рекомендовано

_______________________

_______________________

ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

«Схемотехника телекоммуникационных устройств»

Рекомендуется для направления подготовки

000000 - Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Москва, 2009 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Целью преподавания дисциплины является изучение студентами особенностей построения схем аналоговых и цифровых электронных устройств, осуществляющих усиление, фильтрацию, генерацию и обработку сигналов, а также аналого-цифровых и цифро-аналоговых устройств. В результате изучения дисциплины у студентов должны сформироваться знания, умения и навыки, позволяющие проводить самостоятельный анализ физических процессов, происходящих в электронных устройствах, как изучаемых в настоящей дисциплине, так и находящихся за ее рамками. Студенты должны также ознакомиться с особенностями микроминиатюризации рассматриваемых устройств на базе применения соответствующих интегральных микросхем.

^ 2. Место дисциплины в структуре ООП

В результате изучения настоящей дисциплины студенты должны получить знания, имеющие не только самостоятельное значение, но и обеспечивающие базовую подготовку для усвоения ряда последующих схемотехнических дисциплин.

Данная дисциплина является первой, в которой студенты изучают основы схемотехники и получают навыки “чтения” электрических схем телекоммуникационных устройств. Она находится на стыке дисциплин, обеспечивающих базовую и специальную подготовку студентов. Изучая эту дисциплину, студенты впервые знакомятся с принципами функционирования, методами анализа и схемотехникой рассматриваемых электронных устройств. Приобретенные студентами знания и навыки необходимы как для грамотной эксплуатации телекоммуникационной аппаратуры, так и для разработки широкого класса устройств, связанных с формированием, передачей, приемом и обработкой сигналов.

^ 3. Требования к результатам освоения дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

- принципы работы изучаемых электронных устройств и понимать физические процессы, происходящие в них (ОК-9);

- методы анализа линеаризованных аналоговых электронных устройств, основанные на использовании эквивалентных схем (ОК-9);

- методы исследования аналоговых электронных устройств, работающих в режиме большого сигнала, основанные на аналитических и графо-аналитических процедурах анализа (ОК-9);

- принципы построения различных вариантов схем электронных устройств с отрицательной и/или положительной обратными связями (ОС), понимать причины влияния ОС на основные показатели и стабильность параметров изучаемых устройств; понимать причины возникновения неустойчивой работы усилителей с отрицательной ОС (ОК-9, ПК-14);

- способы оценки устойчивости электронных устройств с внешними цепями ОС (ОК-9, ПК-14);

- основы схемотехники аналоговых и цифровых интегральных схем (ИС) и устройств на их основе (ПК-14);

- основные методы расчета электронных схем (ПК-14);

уметь:

- объяснять физическое назначение элементов и влияние их параметров на электрические параметры и частотные свойства базовых каскадов аналоговых схем и переходные процессы в базовых ячейках цифровых схем (ОК-9);

- применять на практике методы анализа линеаризованных аналоговых электронных устройств, основанные на использовании эквивалентных схем (ОК-9);

- применять на практике методы исследования аналоговых электронных устройств, работающих в режиме большого сигнала, основанные на аналитических и графо-аналитических процедурах анализа (ОК-9);

- выполнять расчеты, связанные с выбором режимов работы и определением параметров изучаемых электронных устройств (ПК-14);

- формировать цепи ОС с целью улучшения качественных показателей и получения требуемых форм характеристик аналоговых электронных устройств (ПК-14);

- проводить компьютерное моделирование и проектирование аналоговых электронных устройств, а также иметь представление о методах компьютерной оптимизации таких устройств (ПК-2);

- пользоваться справочными параметрами аналоговых и цифровых ИС при проектировании телекоммуникационных устройств (ПК-14);

владеть:

- навыками чтения и изображения электронных схем на основе современной элементной базы (ПК-14);

- навыками составления эквивалентных схем на базе принципиальных электрических схем изучаемых устройств (ОК-9);

- навыками проектирования и расчета простейших аналоговых и цифровых схем (ПК-14);

- навыками работы с контрольно-измерительной аппаратурой (ПК-4).

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:

использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-9);

имеет навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях; готов и способен к компьютерному моделированию устройств, систем и процессов с использованием универсальных пакетов прикладных компьютерных программ (ПК-2);

знает метрологические принципы и владеет навыками инструментальных измерений, используемых в области инфокоммуникационных технологий и систем связи (ПК-4);

умеет проводить расчеты по проекту сетей, сооружений и средств связи в соответствии с техническим заданием с использованием как стандартных методов, приемов и средств автоматизации проектирования, так и самостоятельно создаваемых оригинальных программ; умеет проводить технико-экономическое обоснования проектных расчетов с использованием современных подходов и методов (ПК-14).

^ 4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц.

^ Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	180	4	5
^ Аудиторные занятия	90	4	5
Лекции	36	4	5
Практические занятия (ПЗ)	24	4	5
Лабораторные работы (ЛР)	30	4	5
^ Самостоятельная работа	90	4	5
Подготовка к практическим занятиям	20	4	5
Подготовка к лабораторным работам	40	4	5
Подготовка к экзамену	30	4	5
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)		Экзамен	Зачет

^ 5. Содержание дисциплины

5.1. Содержание разделов дисциплины

№

п/п	Наименование раздела дисциплины	Содержание раздела
1.	Введение	Определение, классификация и области применения аналоговых, цифровых, аналого-цифровых и цифро-аналоговых электронных устройств и их место в современной телекоммуникационной аппаратуре.
2.	Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств	Функциональная и обобщенная структурная схемы электронного усилителя. Линейный и нелинейный, стационарный и переходный режимы работы усилителя. Основные показатели и характеристики, определяющие эффективность работы усилителя. Входные и выходные параметры усилителя.
3.	Принципы электронного усиления аналоговых сигналов и построения усилителей	Упрощенная принципиальная схема одиночного каскада усилителя. Три способа включения транзистора в схему усилительного каскада. Виды межкаскадной связи в многокаскадных усилителях.
4.	Обратная связь (ОС) в электронных устройствах	Виды ОС. Основные способы обеспечения отрицательной ОС и влияние ее на показатели и характеристики усилителей аналоговых сигналов. Устойчивость усилителей, охваченных отрицательной ОС, оценка устойчивости усилителя на основе физических представлений (баланс амплитуд и фаз). Частотный критерий устойчивости Найквиста. Запасы устойчивости. Применение положительной ОС в генераторах аналоговых сигналов.
5.	Обеспечение и стабилизация режимов работы транзисторов по постоянному току.	Цепи питания и смещения, обеспечивающие режим работы транзистора по постоянному току. Влияние условий эксплуатации и разброса значений параметров транзисторов на режим их работы по постоянному току. Нестабилизированные и стабилизированные цепи смещения. Стабилизация режима работы транзисторов с помощью отрицательной ОС. Стабилизация режима работы транзисторов в многокаскадных усилителях с непосредственной связью. Явление дрейфа нуля. Генераторы стабильного тока и напряжения и их использование для стабилизации токов покоя транзисторов.
6.	Каскады предварительного усиления.	Требования, предъявляемые к каскадам предварительного усиления и особенности их анализа, связанные с малым уровнем входного сигнала. Применение эквивалентных схем для анализа каскадов предварительного усиления. Модели усилительных элементов, используемые при этом анализе. Построение эквивалентных схем рассматриваемых аналоговых электронных устройств. Применение компьютерного моделирования для расчета аналоговых электронных устройств по полным эквивалентным схемам. Значение компьютерных методов расчета при разработке аналоговых электронных устройств, изготавливаемых по интегральной технологии. Упрощение эквивалентных схем для проведения расчетов, не связанных с применением компьютеров. Резисторные апериодические каскады предварительного усиления, их принципиальные и эквивалентные схемы. Коэффициенты усиления, амплитудно-частотные и переходные характеристики. Связь между соответствующими частотными и временными областями этих характеристик. Широкополосные (импульсные) усилительные каскады. Применение высокочастотной и низкочастотной коррекций для получения частотных и переходных характеристик с заданными искажениями. Площадь усиления резисторного каскада без ОС и с частотнонезависимой отрицательной ОС. Усилительный каскад с транзистором, включенным с общим управляемым электродом. Повторители напряжения. Дифференциальный усилительный каскад. Принципиальная схема и основные свойства каскада. Коэффициенты усиления по синфазному и противофазному сигналам.
7.	Оконечные усилительные каскады	Требования, предъявляемые к оконечным каскадам и особенности их анализа, вызванные большим уровнем входного сигнала. Особенности ручного и компьютерного анализа каскадов. Режимы работы транзисторов в усилительных каскадах. Однотактный трансформаторный оконечный усилитель. Построение выходных нагрузочных характеристик по постоянному и переменному токам. Основные энергетические соотношения. Определение нелинейных искажений. Безмашинный и компьютерный анализ нелинейных искажений. Двухтактные оконечные каскады. Особенности работы и свойства двухтактных каскадов. Режимы работы транзисторов и нелинейные искажения выходного сигнала. Основные разновидности бестрансформаторных двухтактных каскадов. Способы повышения энергетической эффективности оконечных каскадов.
8.	Функциональные узлы на базе операционных усилителей (ОУ).	Основные свойства ОУ. Типовые структуры и каскады ОУ. Применение глубокой отрицательной обратной связи в ОУ для создания устройств аналоговой обработки сигналов. Компьютерные модели ОУ. Аналоговые устройства на ОУ, осуществляющие математические операции над входными сигналами. Применение глубокой отрицательной ОС в ОУ. Инвертирующие и неинвертирующие усилители и повторители напряжения входного сигнала. Устройства на ОУ, осуществляющие линейные операции над сигналами: суммирование, вычитание, дифференцирование и интегрирование. Устройства на ОУ, осуществляющие нелинейные математические операции над сигналами: логарифмирование, антилогарифмирование, перемножение и деление. Перемножители на дифференциальных каскадах с управляемым усилением. Активные RC-фильтры на ОУ. Аппроксимации амплитудно-частотных характеристик фильтров. Применение частотно-зависимых цепей на входе и/или в тракте глубокой отрицательной обратной связи. Обобщенная структурная схема активного RC-фильтра на ОУ и передаточная функция такого фильтра. Примеры построения схем активных RC-фильтров первого и второго порядков. Компьютерный синтез и моделирование фильтров. RC-генераторы гармонических колебаний на ОУ. Упрощенная структурная схема RC-генератора на ОУ с частотно-избирательной глубокой положительной ОС. Стабильность частоты генерируемых колебаний. Применение отрицательной нелинейной ОС в RC-генераторах для повышения стабильности амплитуды колебаний. Компаратор напряжения на ОУ. Принцип функционирования и упрощенная схема компаратора на ОУ без цепей ОС. Сквозная передаточная характеристика компаратора. Быстродействие и погрешности компаратора. Применение положительной ОС в компараторах на ОУ.
9.	Устройства сопряжения аналоговых и цифровых электронных узлов	Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи информации (АЦП и ЦАП). Принцип аналого-цифрового преобразования (операции дискретизации, квантования, кодирования сигналов, шум квантования, равномерное и неравномерное квантование). Структуры АЦП и ЦАП. Параллельная и последовательная схемы АЦП. Ошибки квантования АЦП. 4-разрядная схема ЦАП. Разрешающая способность и точность ЦАП.
10.	Логические основы цифровой техники	Понятие о логической функции и логическом устройстве. Способы задания логических функций: аналитический, табличный. Основные логические операции, используемые при записи логических выражений. Таблицы истинности логических функций. Функционально полные системы функций алгебры логики. Представление логических функций, заданных таблицами истинности, в базисах И, ИЛИ, НЕ; И-НЕ; ИЛИ-НЕ. Синтез логических устройств в базисах И, ИЛИ, НЕ; И-НЕ; ИЛИ-НЕ.
11.	Элементная база цифровой техники	Физическое представление логических уровней. Основные параметры, характеристики логических элементов (коэффициенты объединения по входу, разветвления по выходу, передаточная характеристика). Активные и пассивные логические уровни элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Схемная реализация элементов НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ в технологиях ТТЛ, nМОП, КМОП. Серии интегральных схем, их функциональный состав.
12.	Узлы цифровых устройств	Триггеры. Назначение, типы триггеров, их условное обозначение. Таблицы переходов и структуры RS-, JK-, D-, T-триггеров. Шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов. Назначение, структуры. Мультиплексоры, демультиплексоры. Назначение, структуры. Регистры. Параллельные, последовательные регистры. Их назначение, структуры. Счетчики. Назначение и типы счетчиков. Суммирующий, вычитающий счетчики. Десятичный счетчик. Делители частоты импульсной последовательности. Программируемые логические устройства с матричной структурой, их структура, приемы программирования. Полупроводниковые запоминающие устройства. Классификация и параметры запоминающих устройств. Оперативное запоминающее устройство. Постоянное запоминающее устройство. Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства.
13.	Заключение	Перспективы развития электронных устройств и методов их анализа и проектирования.

^ 5.2. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ	ЛР
1	Введение	*	-	-
2	Основные технические показатели и характеристики электронных устройств	*	-	-
3	Принципы электронного усиления аналоговых сигналов и построения усилителей	*	*	-
4	Обратная связь электронных устройствах	*	*	*
5	Обеспечение и стабилизация режимов работы транзисторов по постоянному току	*	*	-
6	Каскады предварительного усиления	*	*	*
7	Оконечные усилительные каскады	*	*	*
8	Функциональные узлы на базе операционных усилителей (ОУ)	*	*	*
9	Устройства сопряжения аналоговых и цифровых электронных узлов	*	*	-
10	Логические основы и элементная база цифровой техники	*	*	-
11	Узлы цифровых устройств	*	*	-
12	Заключение.	*	-	-

Примечание: практические занятия могут проводиться в компьютерном классе в форме компьютерного моделирования, при этом целесообразно учитывать соответствующую тематику лабораторных работ.

^ 6. Лабораторный практикум

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
1	4	Исследование обратных связей в усилителе
2	6	Исследование резисторного усилительного каскада
3	6	Исследование дифференциального усилительного каскада
4	6	Исследование повторителей напряжения
5	7	Исследование двухтактного бестрансформаторного оконечного каскада
6	8	Исследование аналоговых устройств, построенных на базе ОУ и выполняющих математические операции *
7	8	Исследование аналоговых перемножителей, построенных на базе ОУ *
8	8	Исследование активных RC-фильтров, построенных на базе ОУ *
9	8	Исследование генераторов гармонических колебаний, построенных на базе ОУ*
10	9-12	Исследование логических схем и узлов цифровых устройств *

* Возможна замена натурного эксперимента компьютерным моделированием

^ 7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Радио и связь, 1997. - 367 с.

2. Ногин В.Н. Аналоговые электронные устройства. - М.: Радио и связь, 1992. - 301 с.

3.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс. Учебник для вузов. – М.: Горячая линия - Телеком, 2007 - 768 с.

б) дополнительная литература:

1. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1988. – 583 с.

2. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.: Бином, 1994 г.

3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. – М.: Радио и связь, 1995 г.

4. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью Micro-Cap 7 – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 364 с.

5. Амелина М.А., Амелин С.А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8 – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 464 с.

6. Фриск В.В., Логвинов В.В. Основы теории цепей, основы схемотехники, радиоприемные устройства. Лабораторный практикум на персональном компьютере.- М.: СОЛОН-Пресс, 2008. – 608 с.

^ 7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины

1. Макеты для натурного моделирования усилительных устройств.

2. Описание лабораторных работ для натурного моделирования усилительных устройств.

3. Описания для проведения практических занятий с использованием компьютерного моделирования.

4. Учебные файлы для компьютерного моделирования.

5. Средства статической проекции для использования при чтении лекций.

^ 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

1. Лабораторные аудитории с макетами усилительных устройств для фронтального проведения занятий.

2. Классы с персональными компьютерами (ПК) для проведения групповых занятий (две подгруппы по 10-12 студентов на одного преподавателя).

^ 9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины

В п.5 приводится примерный перечень лабораторных работ, рекомендуемых в рамках настоящей дисциплины. Количество часов, выделенных учебным планом, не позволяет обеспечить выполнение всех работ, приведенных в перечне, поэтому при реализации программы должна быть выбрана часть лабораторных работ по усмотрению вуза.

С точки зрения обеспечения эффективного усвоения студентами материала курса при выполнении ими лабораторных работ важно, чтобы эти работы выполнялись после прослушивания соответствующих лекций, проработки изложенного в них материала и усвоения порядка проведения экспериментальной части работы. Поэтому допуск студентов к выполнению соответствующей работы целесообразно осуществлять только после того, как они в ходе предварительного опроса покажут соответствующие знания.

Практические занятия целесообразно выполнять с использованием ПК и студенческих версий систем схемотехнического моделирования (ССМ) типа Мicro-СAP V.1, Мicro-СAP V.2, Мicro-СAP VI, EWB, DC, DL и т.п. Одно занятие должно быть посвящено обучению работе с ССМ, желательно с Мicro-СAP V, как наиболее подходящей по дидактическим соображениям, однако выбор конкретного типа ССМ зависит от наличия соответствующего математического обеспечения в вузе. Остальные занятий могут быть посвящены, по усмотрению вуза, следующим темам:

1. Оценка линейных искажений (на основе амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик) усилительного каскада при компьютерном моделировании.

2. Оценка линейных искажений (на основе переходной характеристики) усилительного каскада при компьютерном моделировании.

3. Исследование влияния вида отрицательной ОС на коэффициенты усиления.

4. Исследование влияния отрицательной ОС на комплексные входное и выходное сопротивления усилителя.

5. Расчеты и моделирование резисторного каскада (включая устранение преднамеренных ошибок в схеме).

6. Оценка нелинейных искажений при компьютерном моделировании

7. Исследование моделей ОУ.

8. Исследование основных усилительных схем на ОУ.

Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ схемотехники, творческий подход при изучении ими соответствующих материалов, необходимо провести методическую работу, которая должна быть направлена не только на эффективное использование аудиторных часов, но и на осуществление контроля за самостоятельной работой студентов в объеме, выделяемом настоящей примерной программой. Целью является обеспечение равномерной активной работы студентов над материалами курса в течение всего семестра. В рамках самостоятельной работы студенты должны прорабатывать курс прослушанных лекций, готовиться к допуску на проведение лабораторных работ и решать задачи, поставленные преподавателем на практических занятиях, в первую очередь освоив методы работы с указанными выше ССМ.

Разработчики:

Московский технический университет зав. кафедрой радиоприемных Н.Н. Фомин

связи и информатики (МТУСИ) устройств

МТУСИ доцент кафедры радиоприемных В.В. Логвинов

устройств

Эксперты:

Программа одобрена на заседании ________________ совета __________

от _________________ года протокол № ____.

Blog

Примерная программа дисциплины «Схемотехника телекоммуникационных устройств» Рекомендуется для направления подготовки

Содержание