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

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.