Рабочая программа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета АВТ

__________________

«______» __________________2011 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине “СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ “

Направление подготовки - 654600 Информатика и вычислительная техника

Номер специальности - 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Факультет - Автоматики и вычислительной техники

Кафедра - Информационно-коммуникационные технологии

Москва - 2011

1. Цели и задачи дисциплины.

Целью дисциплины является изучение студентами типовых схемотехнических решений, методов расчета и автоматизированного проектирования электронных узлов и блоков современной электронно-вычислительной аппаратуры.

2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате изучения дисциплины студенты должны:

- знать:

- сущность физических процессов, протекающих в электронных схемах;

- терминологию в данной предметной области;

- принцип действия типовых электронных узлов и методики их расчета;

- уметь:

- пользоваться методами анализа и синтеза аналоговых и цифровых устройств;

- обоснованно использовать современную элементную базу;

- иметь представление:

- о перспективах развития элементной базы ЭВМ и новых решениях, в области схемотехники ЭВМ.

3. Объем дисциплины и виды учебной работы.

Вид учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	200
Аудиторные занятия	119
Лекции	68	5	6
Семинары (С)	17		6
Лабораторные работы (ЛР)	17	5
Самостоятельная работа	81	5	6
Курсовой проект (работа)	17		6
Зачет			6
Экзамен		5

4. Содержание дисциплины.

4.1. Разделы дисциплины и виды занятий.

№ п/п	Раздел дисциплины	Лекции	С	ЛР
1	Введение в схемотехнику ЭВМ	*
2	Схемотехника транзисторных узлов	*
3.	Обратная связь	*
4.	Операционные усилители (ОУ)	*
5.	Линейные схемы на ОУ	*		*
6.	Аналоговые узлы математической обработки	*		*
7.	Фильтры	*		*
8.	Генераторы	*
9.	Компараторы	*		*
10.	АЦП и ЦАП	*
11.	Совместная работа цифровых элементов в составе узлов и устройств	*	*
12.	Синхронизация в цифровых устройствах	*	*
13.	Функциональные узлы комбинационного типа	*	*
14.	Функциональные узлы последовательностного типа	*	*
15.	БИС и СБИС с программируемой структурой	*	*
16.	Схемотехника запоминающих устройств	*	*
17.	Автоматизация функционально-логического этапа проектирования цифровых узлов и уст-ройств	*	*

4.2. Содержание разделов дисциплины

№ темы	Наименование раздела	Количество часов
1.	Введение в схемотехнику ЭВМ. Основные понятия, термины и определения. Виды сигналов. Идеальные источники тока и напряжения.	2
2.	Схемотехника транзисторных узлов. Транзисторные источники тока, способы улучшения характерис-тик. Токовые зеркала. Классический дифференциальный усили-тель, области применения, способы улучшения параметров.	2
3.	Обратная связь. Параллельная и последовательная обратные связи. Частотно-зависимая и амплитудно-зависимая обратные связи. Отрицательная обратная связь и ее влияние на параметры усилительного каскада. Положительная обратная связь, условия самовозбуждения.	2
4.	Операционные усилители. Классификация ОУ. Идеальный операционный усилитель. Основные параметры реальных ОУ и их влияние на характерис-тики схемы. Типовые схемы включения ОУ. Амплитудные и частотные характеристики каскадов на основе операционных усилителей, способы снижения нелинейных искажений. Частотная коррекция каскадов на ОУ.	10
5.	Линейные схемы на ОУ. Дифференциальные усилители на ОУ. Схемы для преобразования сигнальных токов в сигнальные напряжения на базе ОУ. Сумматоры напряжений. Стабилизаторы напряжения.	2
6.	Аналоговые узлы математической обработки. Узлы математической обработки: суммирующие и вычитающие устройства, интегрирующие и дифференцирующие усилители. Активные ограничители, схемы детектирования сигналов, устрой-ства выборки-хранения.	8
7.	Фильтры. Классификация фильтров. Параметры фильтров в частотной и временной областях. Активные фильтры, области применения, достоинства и недостатки. Активные фильтры 2-го порядка на основе ИНУН. Двойной Т-образный фильтр. Биквадратные фильтры. Фильтры на переключаемых конденсаторах.	10
8.	Генераторы. Релаксационный генератор на ОУ. Генераторы гармонических колебаний, критерий возникновения генерации, генератор на основе Т-образного моста.	2
9.	Компараторы. Структура компаратора напряжений, основные параметры. Компаратор с гистерезисом. Регистрация попадания сигнала в зону. Компаратор с «окном».	6
10.	АЦП и ЦАП. Методы цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования. ЦАП с промежуточным преобразованием, на основе матрицы R-2R, с двоично-взвешенными резисторами. Преобразователь напряжение-частота. Интегрирующие АЦП. АЦП считывания, последовательного счета, поразрядного уравновешивания.	6
11.	Совместная работа цифровых элементов в составе узлов и устройств. Классификация элементной базы. Статические и динамические параметры элементов ЭВМ. Элементная база ЭВМ: элементы ТТЛ, КМДП. Типы выходных каскадов, согласование связей между элемен-тами, формирователи импульсов, элементы индикации, оптоэлек-тронные развязки. Схемотехника цепей питания ЭВМ. Способы подавления помех в цепях питания.	8
12.	Синхронизация в цифровых устройствах. Состязания сигналов в цифровых схемах и причины их появле-ния. Анализ цифровых схем на состязания. Устранение состяза-ний. Синхронизация работы цифровых схем. Однотактные и много-тактные системы синхронизации.	2
13.	Функциональные узлы комбинационного типа. Реализация булевых функций на элементах ЭВМ. Задачи анали-за и синтеза схем ЭВМ. Анализ комбинационных схем. Синтез комбинационных схем: мультиплексор, равнознач-ность, шифратор, дешифратор, преобразователь кодов, схемы срав-нения двоичных кодов, схемы получения двоичного дополнения. Использование мультиплексоров и дешифраторов для реализа-ции логических функций. Одноразрядные и многоразрядные комбинационные сумма-торы. Сумматоры с ускоренным переносом. Арифметико-логические устройства.	8
14.	Функциональные узлы последовательностного типа. Методы синтеза асинхронных и синхронных последователь-ностных схем. Триггеры Классификация. Таблица внешних переходов. Асинхронные и синхронные, двухступенчатые триггерные схемы. RS, T, D, DV, JK – триггеры в интегральном исполнении. Регистры Регистры и их назначение. Регистры хранения и сдвига. Универ-сальные регистры. Методы контроля работы регистров. Кольцевые распределители на основе регистров. Кодеры и фильтры цикличес-ких кодов. Регистровая память. Типовые интегральные схемы регистров. Счетчики Счетчики и их назначение. Двоичные счетчики с последова-тельным и параллельным переносом. Синхронные и асинхронные счетчики. Суммирующие, вычитающие и реверсивные счетчики. Счетчики по произвольному модулю пересчета. Двоично-десятичные счетчики. Делители частоты. Типовые интегральные схемы счетчиков.	8
15.	БИС и СБИС с программируемой структурой. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика. Постоянные и программируемые постоянные запоминающие устройства. Генерация сигналов и символов. Реализация комбинационной и последовательностной логики. ПЗУ в арифметических устройствах. Программируемые логические матрицы и их разновидности. Синтез комбинационных и последовательностных схем на ПЛМ. Области применения устройств программируемой логики. Типовые интегральные схемы постоянных запоминающих устройств и программируемых логических матриц. Базовые матричные кристаллы, оперативно-перестраиваемые FPGA Матричные БИС. Схемные и конструктивные особенности матричных БИС. Структура базовых ячеек матричных БИС. Библиотеки типовых функциональных элементов для матричных БИС. Особенности проектирования схем на основе матричных БИС. Программируемые логические интегральные схемы. Принципы их построения и способы программирования для выполнения заданных функций. Программируемые пользователем вентильные матрицы. Логические блоки, блоки ввода - вывода, системы межсоединений. Области применения. Типовые интегральные схемы базовых матричных кристаллов и программируемых интегральных схем.	6
16.	Схемотехника запоминающих устройств. Классификация ЗУ. Схемотехника ячеек хранения статического и динамического типов, комплементарных структур в больших интегральных схемах. ЗУ биполярного типа и на МДП-структурах. Масочные, прожигаемые ПЗУ, ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. БИС постоянных, репрограммируемых и ассоциативных ЗУ.	4
17	Автоматизация функционально-логического этапа проектирования цифровых узлов и устройств. Этапы и методы проектирования цифровых узлов и устройств ЭВМ. Основы интегрированной системы автоматизированного проектирования. Подсистемы схемотехнического проектирования (моделирование компонент, моделирование, анализ и оптимиза-ция схем) и конструкторского проектирования (топология схемы, металлизации). Схемотехнический анализ, логическое моделиро-вание, верификация и разработка топологии матричных БИС. Автоматизация программирования программируемых логических ИС.	6

4.3. Понедельный план лекционных и практических занятий

Неделя	Форма занятия	Тема занятия	Кол-во часов
1	лекция	Введение в схемотехнику ЭВМ. Основные понятия, термины и определения. Виды сигналов. Идеальные источники тока и напряжения.	2
2	лекция	Схемотехника транзисторных узлов. Транзисторные источники тока, способы улучшения характеристик. Токовые зеркала. Классический дифферен-циальный усилитель, области применения, способы улучше-ния параметров.	2
3	лекция	Обратная связь. Параллельная и последовательная обратные связи. Частотно-зависимая и амплитудно-зависимая обратные связи. Отрицательная обратная связь и ее влияние на пара-метры усилительного каскада. Положительная обратная связь, условия самовозбуждения.	2
4	лекция	Операционные усилители. Идеальный операционный усилитель. Основные параметры реальных ОУ и их влияние на характеристики схемы. Классификация ОУ. Типовые схемы включения ОУ.	2
лаб. работа	Изучение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей.	4
5	лекция	Амплитудные и частотные характеристики каскадов на основе операционных усилителей, способы снижения нелинейных искажений.	2
6	лекция	Частотная коррекция каскадов на ОУ.	2
7	лекция	Линейные схемы на ОУ. Дифференциальные усилители на ОУ. Схемы для преобра-зования сигнальных токов в сигнальные напряжения на базе ОУ. Сумматоры напряжений. Частотно-селектирующие цепи на базе ОУ.	2
8	лекция	Аналоговые узлы математической обработки. Узлы математической обработки: суммирующие и вычита-ющие устройства, интегрирующие и дифференцирующие усилители.	2
лаб. работа	Изучение работы интегратора и дифференциатора.	4
9	лекция	Активные ограничители, схемы детектирования сигналов, стабилизаторы напряжения. Устройства выборки-хранения.	2
10	лекция	Фильтры. Классификация фильтров. Параметры фильтров в частотной и временной области. Активные фильтры, область примене-ния, достоинства и недостатки.	2
11	лекция	Активные фильтры 2-го порядка на основе ИНУН. Двойной Т-образный фильтр.	2
12	лекция	Биквадратные фильтры. Фильтры на переключаемых конденсаторах.	2
лаб. работа	Исследование ФНЧ, ФВЧ, полосового и режекторного фильтров.	4
13	лекция	Генераторы. Релаксационный генератор на ОУ. Синусоидальные гене-раторы, критерий возникновения генерации, генератор на основе Т-образного моста.	2
14	лекция	Компараторы. Структура компаратора напряжений, основные параметры. Компаратор с гистерезисом. Регистрация попадания сигнала в зону. Компаратор с «окном».	2
15	лекция	АЦП и ЦАП. Методы цифро-аналогового и аналого-цифрового преобра-зования. ЦАП с промежуточным преобразованием, на основе матрицы R-2R, с двоично-взвешенными резисто-рами.	2
16	лекция	Преобразователь напряжение-частота. Интегрирующие АЦП.	2
лаб. работа	Работа компаратора и триггера Шмитта.	4
17	лекция	АЦП считывания, последовательного счета, поразрядного уравновешивания.	2
18	лекция	Совместная работа цифровых элементов в составе узлов и устройств. Классификация элементной базы. Статические и дина-мические параметры элементов ЭВМ. Ключи на биполяр-ных и МДП-транзисторах.	2
19	лекция	Элементная база ЭВМ. Элементы ТТЛ.	2
семинар	Расчет статического режима базового элемента ТТЛ.	2
20	лекция	Элементная база ЭВМ. Элементы КМДП.	2
21	лекция	Типы выходных каскадов, согласование связей между элементами, формирователи импульсов, элементы индика-ции, оптоэлектронные развязки.	2
семинар	Схемотехника цепей питания ЭВМ. Способы подавления помех в цепях питания.	2
22	лекция	Синхронизация в цифровых устройствах. Состязания сигналов в цифровых схемах и причины их появления. Анализ цифровых схем на состязания. Устране-ние состязаний. Синхронизация работы цифровых схем. Однотактные и многотактные системы синхронизации.	2
23	лекция	Функциональные узлы комбинационного типа. Реализация булевых функций на элементах ЭВМ. Задачи анализа и синтеза схем ЭВМ. Анализ комбинационных схем.	2
семинар	Синтез комбинационных схем: мультиплексор, равнозначность, шифратор, дешифратор, преобразователь кодов, схемы сравнения двоичных кодов, схемы получения двоичного дополнения.	2
24	лекция	Использование мультиплексоров и дешифраторов для реализации логических функций.	2
24	лекция	Одноразрядные и многоразрядные комбинационные сумматоры. Сумматоры с ускоренным переносом. Арифметико-логические устройства.	2
семинар	Функциональные узлы последовательностного типа. Методы синтеза асинхронных и синхронных последо-вательностных схем.	2
26	лекция	Триггеры Классификация. Таблица внешних переходов. Асинхрон-ные и синхронные, двухступенчатые триггерные схемы. RS, T, D, DV, JK – триггеры в интегральном исполнении.	2
27	лекция	Регистры Регистры и их назначение. Регистры хранения и сдвига. Универсальные регистры. Методы контроля работы ре-гистров. Кольцевые распределители на основе регистров. Кодеры и фильтры циклических кодов. Регистровая память. Типовые интегральные схемы регистров.	2
семинар	Счетчики Счетчики и их назначение. Двоичные счетчики с после-довательным и параллельным переносом. Синхронные и асинхронные счетчики. Суммирующие, вычитающие и реверсивные счетчики. Счетчики по произвольному модулю пересчета. Двоично-десятичные счетчики. Делители час-тоты. Типовые интегральные схемы счетчиков.	2
28	лекция	БИС и СБИС с программируемой структурой. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика Постоянные и программируемые постоянные запоминающие устройства. Генерация сигналов и символов. Реализация комбина-ционной и последовательностной логики. ПЗУ в арифме-тических устройствах.	2
29	лекция	Программируемые логические матрицы и их разновидности. Синтез комбинационных и последовательностных схем на ПЛМ. Области применения устройств программируемой логики. Типовые интегральные схемы постоянных запомина-ющих устройств и программируемых логических матриц.	2
семинар	Базовые матричные кристаллы, оперативно-перестраиваемые FPGA Матричные БИС. Схемные и конструктивные особен-ности матричных БИС. Структура базовых ячеек матрич-ных БИС. Библиотеки типовых функциональных элементов для матричных БИС. Особенности проектирования схем на основе матричных БИС.	2
30	лекция	Программируемые логические интегральные схемы. Принципы их построения и способы программирования для выполнения заданных функций. Программируемые пользователем вентильные матрицы. Логические блоки, блоки ввода - вывода, системы межсое-динений. Области применения. Типовые интегральные схемы базовых матричных кристаллов и программируемых интегральных схем.	2
32	лекция	Схемотехника запоминающих устройств. Классификация ЗУ. Схемотехника ячеек хранения статического и динами-ческого типов, комплементарных структур в больших интег-ральных схемах. ЗУ биполярного типа и на МДП-структу-рах.	2
семинар	Масочные, прожигаемые ПЗУ, ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием. БИС постоянных, репрограммируемых и ассоциативных ЗУ.	2
33	лекция	Автоматизация функционально-логического этапа проектирования цифровых узлов и устройств. Этапы и методы проектирования цифровых узлов и уст-ройств ЭВМ. Основы интегрированной системы автомати-зированного проектирования.	2
34	лекция	Подсистемы схемотехнического проектирования (модели-рование компонент, моделирование, анализ и оптимиза-ция схем) и конструкторского проектирования (топология схемы, металлизации). Схемотехнический анализ, логичес-кое моделирование, верификация и разработка топологии матричных БИС. Автоматизация программирования прог-раммируемых логических ИС.	2
семинар	Схемотехнический анализ, логическое моделирование, верификация и разработка топологии матричных БИС. Автоматизация программирования программируемых логических ИС.	2

5. Лабораторный практикум.

№ п/п	№ раздела дисциплины	Наименование лабораторных работ
1.	5	Изучение схем инвертирующего и неинвертирующего усилителей на ОУ
2.	6	Изучение работы интегратора и дифференциатора
3.	7	Исследование ФНЧ, ФВЧ, полосового и режекторного фильтров
4.	9	Исследование компаратора и триггера Шмитта

6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

6.1.  Рекомендуемая литература

а) основная литература

1. Угрюмов схемотехника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001.

2. , Новосельцева устройства: Учебное пособие для вузов. – СПб.: Политехника, 1996.

3.  ЭВМ и системы: учебное пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

4.  , , Шишкевич элементов цифровых устройств. – М.: Высшая школа, 1991.

5.  Быстродействующие матричные кристаллы БИС и СБИС. Теория и проектирование/ под ред. . – М.: Радио и связь, 1992

6. М. Кауфман, А. Сидман. Практическое руководство по расчетам схем в электронике: Справочник. В 2-ч. Т.1: Пер с англ./ под ред. . – М.: Энергоатомиздат, 1991.

7.  Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003.

8.  Ф. Дж. Пейтон, В. Волош Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.: БИНОМ, 1994.

б) дополнительная литература

1.  Искусство схемотехники, в 3-х томах. Пер. с англ. 2-ое изд. - М.: Мир, 1993.

2.  Базовые матричные кристаллы и матричные БИС./ и др. - М.: Энергоатом-издат, 1992.

3.  Логические ИС КР1533, КР1534: Справочник / и др. ТОО "Бином", 1993.

4.  Шило микросхемы КМОП: Справочник. - М.: Ягуар, 1993.

5. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник./ и др. - М.:Радио и связь, 1994.

6.  Программируемые логические ИМС на КМОП-структурах и их применение.

/ , , . - М.: Энергоатомиздат, 1998.

7. Применение интегральных микросхем памяти: Справочник /под ред. . – М.: Радио и связь, 1990.

6.2.  Средства обеспечения освоения дисциплины.

Программа моделирования электронных схем QUCS, специализированные программы Pc-Lab 2000 фирмы Velleman Instruments для поддержки электронных измерительных приборов.

7.  Материально-техническое обеспечение дисциплины

Лаборатория “Электроника” кафедры ИКТ, ПЭВМ, электронные измерительные приборы и лабораторные стенды для проведения лабораторных работ.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего и среднего образования по направлению подготовки 654600 – Информатика и вычислительная техника.

Программу составили:

доцент каф. ИКТ. Московский государственный институт электроники и математики

Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании (методическом семинаре) кафедры “_____”____________2011 г. протокол №________ и рекомендована к применению в учебном процессе.

Зав. кафедрой

“Информационно-коммуникационные технологии ”

“_____”_______________2011 г.

Срок действия программы продлен на

20____/20____ уч. год__________________________

(подпись зав. кафедрой) 20____/20____ уч. год__________________________

(подпись зав. кафедрой) 20____/20____ уч-год__________________________

(подпись зав. кафедрой) 20____/20____ уч. год__________________________

(подпись зав. кафедрой)