МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЯ И МЕХАНИКИ (ЭнМИ) ___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 221000 Мехатроника и робототехника
Профиль(и) подготовки: Компьютерные технологии управления в мехатронике и робототехнике
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
"ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА МЕХАТРОННЫХ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ"
Цикл: | профессиональный | |
Часть цикла: | базовая | |
№ дисциплины по учебному плану: | ЭнМИ; Б3.6 | |
Часов (всего) по учебному плану: | 180 | |
Трудоемкость в зачетных единицах: | 4 | 5 семестр – 4 |
Лекции | 36 час | 5 семестр |
Практические занятия | 18 час | 5 семестр |
Лабораторные работы | 36 час | 5 семестр |
Расчетные задания, рефераты | 18 час самостоят. работы | 5 семестр |
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего) | 90 час | |
Экзамены | 5 семестр | |
Курсовые проекты (работы) | Не предусмотрены |
Москва - 2010
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение методов расчета и проектирования основных электронных устройств для использования в профессиональной деятельности.
По завершению освоения данной дисциплины студент способен и готов:
· к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
· понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества (ОК-10);
· применять знания принципов действия и математического описания электронных элементов в составе мехатронных и робототехнических систем для построения математических моделей (ПК-1);
· разрабатывать макеты электронных модулей мехатронных и робототехнических систем (ПК-2);
· применять контрольно-измерительную аппаратуру для определения характеристик и параметров макетов (ПК-2);
· выполнять работы по проектированию электронных модулей мехатронных и робототехнических систем (ПК-3);
· разрабатывать конструкторскую документацию электрических и электронных узлов мехатронных и робототехнических систем (ПК-4).
Задачами дисциплины являются:
· познакомить студентов с основными электронными устройствами аналоговой и цифровой техники, их особенностями, характеристиками и принципом действия;
· научить проводить расчеты электронных схем;
· познакомить с современными технологиями схемотехнического моделирования.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла Б.3 основной образовательной программы подготовки бакалавров по профилю "Компьютерные технологии управления в мехатронике и робототехнике" направления 221000 Мехатроника и робототехника.
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: "Высшая математика", "Физика", "Электротехника и электроника" и "Информатика".
Знания, полученные по освоению дисциплины, необходимы при выполнении бакалаврской выпускной квалификационной работы и изучении дисциплин "Теория автоматического управления", "Микропроцессорная техника в мехатронике и робототехнике" и "Основы автоматизированного проектирования".
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
· параметры и характеристики различных электронных устройств (ПК-1);
· методы и средства автоматизации схемотехнического моделирования (ОК-10; ПК-1);
· государственные стандарты правил выполнения электрических схем (ПК-4);
· основы цифровой и импульсной техники (ПК-1).
Уметь:
· составлять схемы замещения различных электронных устройств (ПК-1);
· проводить анализ и разработку структурных и принципиальных схем современных электронных устройств (ПК-2);
· проводить исследования электронных схем с использованием средств схемотехнического моделирования (ОК-10; ПК-3);
· обосновывать технические требования к электронным устройствам (ПК-4).
Владеть:
· методиками расчета и экспериментального определения параметров электронных устройств, синтезом логических схем (ПК-4);
· навыками работы с электронными измерительными приборами (ПК-2);
· программными средствами схемотехнического моделирования (ПК-1);
· приёмами конструирования электронной аппаратуры (ПК-3).
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Структура дисциплины
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётных единицы, 180 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации | Всего часов на раздел | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и | Формы текущего контроля успеваемости (по разделам) | |||
лк | пр | лаб | сам. | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
1 | Основные свойства и характеристики полупроводниковых элементов | 4 | 5 | 2 | 2 | Устный опрос | ||
2 | Неуправляемые выпрямители | 22 | 5 | 4 | 4 | 6 | 8 | Расчетное задание; защита лабораторных работ; самостоятельная работа |
3 | Биполярные транзисторы. Усилительные каскады переменного тока | 28 | 5 | 6 | 4 | 8 | 10 | Расчетное задание; защита лабораторных работ; самостоятельная работа |
4 | Усилители постоянного тока | 4 | 5 | 2 | 2 | Устный опрос | ||
5 | Полевые транзисторы. Усилители на полевых транзисторах | 16 | 5 | 4 | 2 | 4 | 6 | Защита лабораторной работы; самостоятельная работа |
6 | Обратные связи в усилителях | 12 | 5 | 2 | 2 | 4 | 4 | Тест: обратные связи в усилителях; защита лабораторной работы |
7 | Операционные усилители. Устройства на операционных усилителях | 26 | 5 | 6 | 4 | 8 | 8 | Расчетное задание; защита лабораторных работ; самостоятельная работа |
8 | Импульсные устройства | 4 | 5 | 2 | 2 | Устный опрос | ||
9 | Цифровые электронные устройства | 18 | 5 | 6 | 2 | 4 | 6 | Расчетное задание; защита лабораторных работ |
10 | Методы и средства схемотехнического моделирования | 8 | 5 | 2 | 2 | 4 | Защиты лабораторных работ по моделированию электронных устройств | |
Зачёт | 2 | 5 | -- | -- | -- | 2 | Контрольная работа | |
Экзамен | 36 | 5 | -- | -- | -- | 36 | устный | |
Итого: | 180 | 36 | 18 | 36 | 90 |
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1. Лекции
1.Основные свойства и характеристики полупроводниковых элементов
Физические свойства полупроводников. Материалы и их свойства. P-n переход, его особенности. Типы полупроводниковых элементов и их вольт-амперные характеристики.
2. Неуправляемые выпрямители
Полупроводниковые диоды. Однополупериодные выпрямители. Мостовые выпрямители. Применение фильтров. Внешние характеристики выпрямителей. Стабилизаторы напряжения. Структурная схема выпрямителя. Использование выпрямителей в качестве вторичных источников питания. Источники эталонного напряжения и тока.
3.Биполярные транзисторы. Усилительные каскады переменного тока
Устройство и принцип действия биполярного транзистора, основные характеристики. Схема замещения при малых сигналах. Схемы включения транзистора. Усилительный каскад с общим эмиттером. Графический анализ усилительного каскада. Выбор рабочих точек. Схема замещения каскада. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления каскада. Температурная стабилизация каскада с общим эмиттером. Частотные характеристики каскада с общим эмиттером, полоса пропускания. Усилительные каскады с общим коллектором. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления каскада. Многокаскадные усилители. Ключевой режим работы биполярного транзистора.
4. Усилители постоянного тока
Особенности построения усилителей постоянного тока. Схемы замещения усилителей постоянного тока. Частотные характеристики усилителей. Дифференциальные усилители, принцип действия. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления.
5. Полевые транзисторы. Усилители на полевых транзисторах
Устройство и принцип действия полевого транзистора, основные характеристики. Схема замещения при малых сигналах. Схемы включения транзистора. Усилительный каскад с общим истоком. Схема замещения каскада. Коэффициент усиления, входное и выходное сопротивления каскада. Ключевые режимы работы полевого транзистора.
6. Обратные связи в усилителях
Обобщенная схема усилителя с обратной связью. Влияние обратной связи на основные характеристики усилителя. Влияние обратной связи на частотные свойства усилителя. Способы включения обратной связи.
7. Операционные усилители. Устройства на операционных усилителях
Операционный усилитель - обозначение и параметры. Идеальные и реальные операционные усилители. Устройства на основе операционных усилителей с отрицательной обратной связью – инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор, избирательный усилитель. Расчет коэффициентов усиления и выходного напряжения. Фильтры на основе операционных усилителей. Частотные характеристики. Компараторы напряжений. Триггеры Шмита. Генераторы электрических сигналов на операционных усилителях.
8. Импульсные устройства
Характеристики импульсных сигналов. Основные требования к электронным устройствам при работе в импульсном режиме. Ключевые режимы работы элементов импульсных устройств.
9. Цифровые электронные устройства
Основные понятия алгебры логики. Системы счисления. Основные логические элементы – условные обозначения, таблицы истинности. Реализация логических элементов в диодной логике, ТТЛ и КМОП логике. Синхронные и асинхронные триггеры – типы, особенности, временные диаграммы. Триггеры в интегральном исполнении. Комбинационные логические устройства – шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры. Последовательные устройства. Счетчики и регистры – назначение, классификация, основные типы.
Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. Принципы построения, основные параметры и характеристики. Интегральные микросхемы АЦП и ЦАП.
10. Методы и средства схемотехнического моделирования
Обзор компьютерных программ схемотехнического моделирования и проектирования электронных схем. Возможности программных средств типа MultiSim, MicroCap, Spice. Модели элементов. Возможности программ автоматизированного проектирования печатных плат типа PCad. Государственные стандарты: виды и типы электронных схем, правила выполнения электронных схем, обозначения в электрических схемах, условные графические обозначения элементов электрических схем.
4.2.2. Практические занятия
5 семестр
Неуправляемые выпрямители.
Анализ неуправляемых выпрямителей с фильтрами. Стабилизаторы напряжения.
Аналитический и графический анализ работы усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.
Частотные свойства усилительных каскадов.
Усилители на полевых транзисторах.
Обратные связи в усилителях.
Применение операционных усилителей.
Активные фильтры.
Логические устройства.
4.3. Лабораторные работы
5 семестр
№ 1. Неуправляемые выпрямители.
№ 2. Моделирование неуправляемых выпрямителей.
№ 3. Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе.
№ 4. Усилительный каскад с общим коллектором.
№ 5. Моделирование усилителей на биполярных транзисторах.
№ 6. Моделирование однокаскадного усилителя на полевом транзисторе.
№ 7. Обратные связи в усилителях.
№ 8. Устройства на операционных усилителях.
№ 9. Активные фильтры.
№ 10. Моделирование активных фильтров.
№ 11. Логические устройства.
№ 12. Моделирование логических устройств.
4.4. Расчётные задания
5 семестр
№ 1. Неуправляемые выпрямители.
№ 2. Усилители с общим эмиттером.
№ 3. Операционные усилители.
№ 4. Логические устройства.
4.5. Курсовые проекты и курсовые работы
5 семестр
Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекционные занятия проводятся в форме лекций с использованием компьютерных презентаций. Часть разбираемого материала сопровождается демонстрациями примеров моделирования электронных устройств.
Практические занятия проводятся в традиционной форме и включают в себя практическое применение теоретического материала.
Лабораторные занятия проводятся с применением программ схемотехнического моделирования Electronics Workbench, MicroCap, PCad.
Самостоятельная работа включает подготовку к тестам, опросам, самостоятельным и контрольным работам, защитам лабораторных работ, выполнение индивидуальных домашних заданий, подготовку к зачету и экзамену.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для текущего контроля успеваемости используются тесты, самостоятельные и контрольные работы, устный опрос, индивидуальные домашние задания, защиты лабораторных работ.
Аттестация по дисциплине – зачет и экзамен (в 5 семестре).
Оценка за освоение дисциплины, определяется как оценка на экзамене.
В приложение к диплому вносится оценка за 5 семестр.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Литература:
а) основная литература:
1. Электротехника и электроника. Учебник для вузов. В 3-х кн.: Кн.3. Электрические измерения и основы электроники/ , , и др.; Под ред. проф. . М.: Энергоатомиздат, 19с.: ISBN -8 (кн.3)
2. , , . Основы электроники. Методическое пособие к лабораторно-практическим занятиям по курсу «Электротехника и электроника». – М.: Изд-во МЭИ, 2000. – 12 с.
3. , , . Основы электроники. Сборник индивидуальных заданий. Методическое пособие по курсу «Электротехника и электроника». – М.: Издательство МЭИ, 2002. – 20 с.
б) дополнительная литература:
1. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов / , . – М.: Высшая школа, 2005. – 790 с.
7.2. Электронные образовательные ресурсы:
а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
1. MS Office 2003, Visual Studio 2005, Java 2.
б) другие (доступны в локальной сети кафедры):
1. Электронный «Учебно-методический комплекс «Электротехника и электроника»». Часть 3 - «Основы электроники». (Лекции, упражнения и виртуальные лабораторные работы, самоконтроль) /, ,
2. Контрольные Тесты на ПК. Часть 3. «Основы электроники» /, , .
3. Пакет ПСУН - виртуальные лабораторные работы: по разделу «Основы Электроники» /
4. Демонстрационные материалы в электронной форме для лекций в поточной аудитории, оборудованной аудиовизуальными средствами. Автор –
5. Пакет ПСУН – модели электронных устройств (неуправляемые выпрямители, параметрический стабилизатор, усилительный каскад на биполярном транзисторе - временные свойства, усилительный каскад на биполярном транзисторе - частотные свойства, инвертирующий каскад на ОУ, неинвертирующий каскад на ОУ) /
6. Пакет ПСУН - для анализа свойств электрических и магнитных цепей, электронных схем/,
7. Программа – калькулятор для инженерных арифметических и алгебраических расчетов, представления графиков зависимостей и векторных диаграмм при изучении дисциплины Электротехника и электроника/
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1. Лекционная аудитория.
В аудитории установлена аудиовизуальная система (компьютер, мультимедийный проектор, экран, радиомикрофон) для чтения лекций.
8.2. Лаборатория электроники.
В лаборатории расположено восемь универсальных стендов со съемными панелями, на которых расположены объекты исследования: диоды с электрическими фильтрами; элементы для сборки схемы усилительного каскада на биполярном транзисторе; операционные усилители и цепи обратной связи; логические микросхемы. На каждом стенде установлены мультиметры, осциллограф, генератор переменного напряжения и персональный компьютер.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 221000 «Мехатроника и робототехника» и профилю «Компьютерные технологии управления в мехатронике и робототехнике».
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
ст. преп.
"СОГЛАСОВАНО":
Зав. кафедрой Теоретической механики и мехатроники
д. т.н. профессор
"УТВЕРЖДАЮ":
Зав. Кафедрой Электротехники и интроскопии
к. т.н., профессор
