Введение в специальность (стр. 3 )

Тема 2.3. Схемотехника усилительных устройств на биполярных
и полевых транзисторах

Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером. Принцип работы и основные параметры. Понятие о классах усиления усилительных каскадов. Передаточная функция и схема замещения. Методы стабилизации рабочей точки. Каскад с последовательной отрицательной обратной связью по выходному напряжению. Формирование частотной характеристики каскадов с цепями отрицательной обратной связи. Усилительный каскад по схеме с общим истоком. Эмиттерный и истоковый повторители. Источники постоянного тока и напряжения. Источники тока на биполярных транзисторах. Источники тока на полевых транзисторах. Источники постоянного напряжения. Схемы токового зеркала. Активная нагрузка. Составной транзистор. Многокаскадные усилители. Выходные усилители мощности.

Тема 2.4. Операционные усилители

Структурная схема операционного усилителя. Основные параметры операционного усилителя. Частотные свойства операционного усилителя.

Тема 2.5. Преобразователи аналоговых сигналов
на операционных усилителях

Повторитель напряжения. Неинвертирующий усилитель. Влияние параметров реального операционного усилителя на работу усилителя. Температурные погрешности выходного напряжения операционного усилителя. Усилитель с дифференциальным входом. Инвертирующий сумматор. Схема сложения-вычитания. Инвертирующий сумматор. Интегратор. Дифференциатор. Логарифмический и антилогарифмический (экспоненциальный) усилители. Нелинейные преобразователи. Усилитель с возрастающим коэффициентом передачи. Ограничители уровня. Источники тока. Источники напряжения. Активные фильтры. Фильтры низких частот. Фильтры высоких частот. Усилители переменного тока.

Тема 2.6. Устройства сравнения аналоговых сигналов

Работа операционного усилителя при больших амплитудах входного сигнала. Однопороговое устройство сравнения. Регенеративная схема сравнения. Интегральные компараторы.

Тема 2.7. Работа полупроводниковых приборов
в ключевом режиме

Общие сведения об электронных схемах коммутации. Диодные ключи. Ключи на биполярных транзисторах. Ключи на полевых транзисторах. Переходные процессы в ключах на биполярных и униполярных транзисторах. Потери мощности в ключах.

Тема 2.8. Импульсные усилители мощности

Основные требования к импульсным усилителям мощности. Виды модуляции. Схемы транзисторных импульсных усилителей мощности. Сквозные токи, режимы рекуперации. Напряжения и ЭДС, действующие в цепях двигателя в импульсных режимах. Длительности импульсов. Тиристорные усилители мощности.

Тема 2.9. Импульсные генераторы

Транзисторные мультивибраторы. Блокинг-генераторы. Магнитно-транзисторные преобразователи. Генераторы импульсов на туннельных диодах, тиристорах, однопереходных транзисторах. Генераторы импульсов на операционных усилителях. Интегральные схемы генераторов импульсов.

Тема 2.10. Генераторы синусоидальных колебаний

Основы теории генераторов. Баланс амплитуд и фаз. Нелинейности. Цепи, описываемые комплексными корнями. Схемы генераторов на транзисторах и операционных усилителях. Кварцевая стабилизация частоты.

Тема 2.11. Источники вторичного электропитания

Классификация, состав и основные параметры. Преобразование переменного напряжения в пульсирующее напряжение. Параметрические, компенсационные, импульсные стабилизаторы напряжения. Интегральные стабилизаторы. Управляющий выпрямитель.

Раздел 3. Устройства цифровой электроники

Тема 3.1. Основы построения логических устройств

Системы счисления. Логические константы и переменные. Операции булевой алгебры. Принцип двойственности. Основные требования к базовым логическим элементам. Диодные логические схемы. Транзисторно-транзисторная логика. Базовые логические элементы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ). Логика на МДП-транзисторах. Интегральная инжекционная логика. Микросхемы на основе арсенида галлия. Типовые функциональные узлы комбинационных логических устройств. Мультиплексоры, демультиплексоры, шифраторы, дешифраторы, гонки. Генераторы импульсов на логических элементах. Особенности кварцевой стабилизации частоты импульсных генераторов. Интегральные таймеры.

Тема 3.2. Логические устройства с программируемыми характеристиками

Назначение и области применения. Мультиплексор в качестве универсального логического элемента. Обобщенная структурная схема программируемой логической интегральной микросхемы (ПЛИС). Применение запоминающих устройств в качестве ПЛИС. Программируемая матричная логика. Программируемые логические матрицы. Микросхема 556 РТ1. Базовые матричные кристаллы.

Тема 3.3. Назначение и классификация триггерных устройств, принципы построения

Транзисторные триггеры, счетный вход, триггер с эмиттерной связью. Триггеры на туннельных диодах, тиристорах, однопереходных транзисторах, операционных усилителях. Триггеры на логических элементах, одноступенчатые и двухступенчатые, триггеры задержки. Интегральные триггеры, динамическое управление. Свойство прозрачности триггеров, защелка. Регистры, счетчики, распределители тактов.

Тема 3.4. Арифметико-логические устройства (АЛУ)

Назначение и основные параметры АЛУ. Сумматоры. Алгоритм двоичного сложения. Двоичный полусумматор. Одноразрядный сумматор. Многоразрядный сумматор параллельного действия. Многоразрядный сумматор последовательного действия. Сумматоры с параллельным переносом. Сумматор с групповой структурой. Алгоритм вычитания двоичных чисел. Реализация операций арифметического сложения и вычитания. Двоично-десятичные сумматоры. Выполнение логических операций. Интегральные схемы АЛУ. Выполнение операций арифметического умножения.

Тема 3.5. Полупроводниковые запоминающие устройства

Назначение, основные параметры и классификация. Запоминающие устройства с одномерной адресацией. Запоминающие устройства с двухмерной адресацией. Оперативные запоминающие устройства на биполярных и полевых транзисторах. Динамические операционные запоминающие устройства. Постоянные запоминающие устройства.

Тема 3.6. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП)

Назначение, основные свойства и классификация. ЦАП с суммированием токов, напряжений, делением напряжений, с весовыми резисторами и матрицами R-2R, безматричные ЦАП. Погрешности и основные характеристики. Двухквадрантное и четырехквадрантное умножение. Основные интегральные микросхемы ЦАП. АЦП последовательного счета, следящего типа, поразрядного кодирования, с двойным интегрированием, параллельного преобразования, основные интегральные микросхемы АЦП, генераторные АЦП с циклическим отсчетом, области применения АЦП различных типов.

Тема 3.7. Компьютерное моделирование
электронных схем

Основные задачи и проблемы компьютерного моделирования. Процедуры обращения к компьютеру, использование измерительных приборов, элементной базы, моделирование схем и процессов. Моделирование печатных плат для разработанных схем.

Примерный перечень практических занятий

1.  Импульсные усилители мощности.

2.  Статические и динамические потери мощности в ключах.

3.  Предмощные каскады.

4.  Гальванические развязки.

5.  Элементы задержки.

6.  Интегральные схемы формирования процессов широтно-импульсной модуляции.

7.  Информационные каскады.

8.  Генераторы импульсов.

9.  Формирователи коротких импульсов.

10.  Обратные связи.

11.  Защита от перегрузок.

12.  Защита от коротких замыканий.

13.  Защита от перенапряжений.

14.  Блоки питания.

15.  Передаточные функции отдельных каскадов.

16.  Передаточная функция электронного блока.

17.  Логарифмические амплитудные и фазовые частотные характеристики.

18.  Устойчивость процессов, коррекция.

Примерный перечень лабораторных работ

1.  Логические схемы.

2.  Триггеры.

3.  Блокинг-генераторы.

4.  Мультивибраторы.

5.  Импульсные стабилизаторы.

6.  Цифроаналоговые преобразователи.

7.  Аналого-цифровые преобразователи.

8.  Интегральные триггеры.

9.  Интегральная логика.

10.  Интегральные стабилизаторы.

11.  Диодные преобразователи.

12.  Транзисторные преобразователи.

13.  Компьютерное моделирование, приборы, элементная база.

14.  Моделирование счетчиков и цифроаналоговых преобразователей.

Примерный перечень курсовых проектов

1.  Электронный блок для системы управления с импульсным усилителем мощности на биполярных транзисторах.

2.  Электронный блок для системы управления с импульсным усилителем мощности на униполярных транзисторах.

3.  Электронный блок для системы управления с импульсным усилителем мощности на тиристорах.

Примерный перечень компьютерных программ

1. Программа Electronics Workbench.

2. Программа EWB Layout.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

1.  , , Гуров и цифровая электроника (полный курс): Учебник. – М.: Горячая линия – Телеком, 1999.

2.  Прянишников : Курс лекций. – СПб.: КОРОНАпринт, 1998.

Дополнительная

1.  Карлащук лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: Солон-Р, 1999.

2.  , иванов В. С., Чепурин и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2 т. Т. 1. – М.: Додэка, 1999.

3.  Джонс – практический курс. – М.: Посмаркет, 1999.

4.  , Луценко и микросхемотехника. Ч.1: Учебник. – Киев: Выщ. шк., 1989.

5.  , , Кравец и микросхемотехника. Ч.2: Учебник. – Киев: Выщ. шк., 1989.

Утверждена

УМО вузов Республики

Беларусь по образованию в области

информатики и радиоэлектроники

« 03 » июня 2003 г.

Регистрационный № ТД-53-006/тип.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ И СИСТЕМЫ

Учебная программа для высших учебных заведений

по специальностям

ІАвтоматическое управление в технических системах,

ІИнформационные технологии и управление в технических системах

Согласована с Учебно-методическим управлением БГУИР

« 28 » мая 2003 г.

Составитель:

, доцент кафедры автоматического управления Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники», кандидат технических наук

Рецензенты:

, старший научный сотрудник лаборатории обработки и распознавания изображений Института технической кибернетики Национальной академии наук Беларуси, кандидат технических наук;

, заведующий лабораторией системотехники Института технической кибернетики Национальной академии наук Беларуси, кандидат технических наук

Рекомендована к утверждению в качестве типовой:

Кафедрой автоматического управления Учреждения образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники» (протокол от 01.01.2001 г.);

Научно-методическим советом по направлению І-53 Автоматизация УМО вузов Республики Беларусь по образованию в области информатики и радиоэлектроники (протокол от 01.01.2001 г.)

Разработан на основании Образовательного стандарта РД РБ 02100.5.115-98.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Типовая программа дисциплины «Вычислительные машины и системы» разработана в соответствии с Образовательным стандартом РД РБ 02100 5.115-98 для высших учебных заведений по специальностям ІАвтоматическое управление в технических системах, ІИнформационные технологии и управление в технических системах. Она предусматривает чтение лекций, выполнение лабораторных работ и самостоятельную работу по углублению знаний по отдельным вопросам.

Целью курса является изучение теxнического и программного обеспечения современныx вычислительныx машин и систем, так как разработка, внедрение и использование различного рода автоматическиx устройств на базе вычислительной теxники невозможно без знания принципов построения, особенностей работы и теxническиx возможностей вычислительныx машин и систем.

В результате освоения курса студент должен:

знать:

–  арифметические и логические основы построения и работы ЭВМ;

–  сxемотеxнические основы построения основныx узлов ЭВМ;

–  принципы построения и алгоритмы работы основныx блоков современныx ЭВМ (процессоров, запоминающиx устройств, устройств ввода-вывода и др.);

–  принципы построения и особенности работы микропроцессорныx систем;

–  основы программного обеспечения;

–  способы обеспечения контроля и диагностики неисправностей;

–  основные тенденции развития вычислительныx машин на современном этапе;

уметь:

–  разрабатывать, внедрять и эксплуатировать автоматические и автоматизированные устройства и системы, использующие вычислительные машины;

–  использовать современные вычислительные машины и системы для выполнения проектныx работ и научно-теxническиx расчетов.

Материал курса, кроме общеобразовательныx и общеинженерныx дисциплин, базируется на изучении курсов: электронные устройства автоматики и телемеxаники; электроника и микросxемотеxника; электронные и электромашинные устройства автоматики; программирование; вычислительные методы и применение ЭВМ.

В то же время он является базой для изучения ряда дисциплин специализации, например: микропроцессорные системы управления; автоматическое управление в теxническиx системаx; автоматизированные системы управления ГАП и др.

Программа рассчитана на объем 51 учебный час. Примерное распределение учебных часов по видам занятий: лекций – 34 часа, лабораторных работ – 17 часов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Введение

Краткая история развития вычислительной техники. Значение вычислительной теxники, ее роль в научно-теxническом прогрессе.

Классификация вычислительных устройств. Аналоговые, цифровые и комбинированные вычислительные машины (ВМ).

Принцип действия и структура вычислительныx машин и систем. Особенности цифровыx вычислений. Понятие алгоритма. Принцип программного управления. Классификация и современные структурные сxемы построения ЦВМ. Вычислительные системы (ВС) и иx арxитектура. Поколения ЭВМ.

Тема 1. Арифметические и логические основы построения элементов и узлов ВМ и систем

Системы счисления. Позиционные и непозиционные системы счисления. Перевод чисел из одной позиционной системы счисления в другую. Выбор системы счисления для ЦВМ. Особенности выполнения арифметическиx операций в двоичной системе счисления. Прямой, обратный и дополнительный коды. Способы представления чисел в ЦВМ. Особенности выполнения операций в системаx представления с фиксированной и плавающей запятой. Модифицированный код. Кодирование десятичныx чисел и алфавитно-цифровой информации.

Физические формы представления информации в ВМ и системаx. Комбинационные сxемы и конечные автоматы. Элементы теории переключательныx функций, булева алгебра. Способы реализации переключательныx (логическиx) функций. Элементарные автоматы.

Методы структурного синтеза комбинационныx схем и конечныx автоматов.

Тема 2. Основы сxемотеxники операционныx автоматов ЭВМ

Системы логических элементов. Системы элементов на дискретныx и интегральныx компонентаx. Большие интегральные сxемы (БИС). Регистры, назначение, принципы построения. Дешифраторы, назначение, типы дешифраторов и особенности иx работы. Счетчики, способы иx построения, реверсивные счетчики. Мультиплексоры, демультиплексоры. Двоичные и десятичные сумматоры. Схемы сравнения.

Тема 3. Принципы построения и работы основныx блоков ЭВМ. Запоминающие устройства (ЗУ)

Назначение и классификация ЗУ. Оперативные и внешние ЗУ. Основные характеристики ЗУ. Иерархическая структура памяти ВМ и систем.

Оперативные ЗУ (ОЗУ). Типы ОЗУ. Система организации ОЗУ. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Способы повышения надежности работы ЗУ.

Ассоциативные ЗУ (АЗУ). Способы выборки информации в АЗУ. Внешние ЗУ (ВЗУ). ЗУ на магнитной ленте (НМЛ); методы записи информации на магнитную поверхность. ЗУ на магнитном барабане (НМБ) и на магнитных дисках (НМД).

Тема 5. Процессоры вычислительных систем

Назначение и состав процессора, основные этапы выполнения программ в процессоре, адреса и структура команд. Задачи управления. Виды устройств управления (УУ). Управляющие автоматы с «жесткой логикой». Микропрограммное управление. Индексация, индексные регистры. Арифметические устройства (АУ). Классификация АУ. Последовательные АУ. Параллельные АУ. Параллельные АУ комбинационного и накапливающего типа. Анализ быстродействия АУ. Методы выполнения умножения. Способы повышения быстродействия АУ при выполнении умножения. Выполнение операции деления. Методы ускорения деления. Выполнение арифметических операций над десятичными числами.

Тема 6. Устройства ввода и вывода (УВВ)

Принципы построения и классификация УВВ ЭВМ. Перфолентные, перфокартные и оптические устройства ввода. Использование магнитных носителей информации в устройствах ввода. Читающие устройства. Устройства вывода: назначение и принципы построения. Использование электронных пультов для коррекции информации.

Каналы ввода-вывода. Понятие об унифицированных каналах ввода и вывода. Мультиплексные и селекторные каналы.

Тема 7. Интерфейсы вычислительных систем

Основные понятия и определения, типы интерфейсов. Методы передачи информации между устройствами ВС, организация системы шин интерфейсов. Внутрисистемные интерфейсы. Интерфейсы ввода-вывода информации.

Тема 8. Микропроцессорные системы

Микропроцессоры, принципы построения и особенности организации, типы микропроцессоров. Микропроцессорные наборы. Организация микроЭВМ; основные характеристики и области применения микроЭВМ.

Тема 9. Программное обеспечение

Назначение и виды программного обеспечения, классификация. Общее и специальное программное обеспечение. Языки программирования. Состав и структура системы подготовки программ. Прохождение программы через вычислительную систему.

Операционная система, назначение и состав. Общая схема функционирования. Супервизор задач и супервизор ввода-вывода. Управление заданиями. Обслуживание программы. Пакеты прикладных программ.

Тема 10. Автоматический контроль и диагностика неисправностей

Основные характеристики надежности ЭВМ. Способы обеспечения надежности работы ЦВМ. Автоматический контроль ВМ и ВС; виды систем контроля. Контроль арифметических и логических операций, контроль передачи информации внутри ЦВМ. Системы диагностики неисправностей, назначение и классификация; эффективность систем контроля и диагностики.

Тема 11. Краткая характеристика современных ВМ

и тенденция их развития

Назначение и принципы построения вычислительных сетей. Обобщенная структура и основные характеристики ВС. Классификация ВС. ВС с конвейерной обработкой информации. Принципы построения и организация управления конвейерных ВС. Конвейер команд. Матричные ВС. Назначение, обобщенная структура процессорной матрицы и ее функционирование, принципы построения коммутаторов процессорной матрицы, примеры матричных ВС. Матричные и систолические процессоры.

1.  Изучение структуры микропроцессора и учебного микропроцессорного комплекта (УМК) на его основе.

2.  Изучение структуры и основ программирования адаптера ввода-вывода.

3.  Системы команд и основы программирования задач для микропроцессора.

4.  Разработка программ реализации алгоритмов умножения и деления в системе команд микропроцессора (УМК).

5.  Изучение средств обмена данными между двумя УМК.

ЛИТЕРАТУРА

ОСНОВНАЯ

1.  , Нестеров вычислительные машины. – М.: Высш. шк., 1981.

2.  , Пузанков и микропроцессорные системы. –М.: Радио и связь, 1981.

3.  Каган вычислительные машины и системы. –М.: Энергия, 1991.

4.  Микропроцессоры: В 3 кн. /Под ред. . – Мн.: Выш. шк., 1987.

5.  Савельев и логические основы цифровых автоматов. –М.: Высш. шк., 1980.