УТВЕРЖДАЮ
Директор института ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
УЗЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ БИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
НАПРАВЛЕНИЕ (СПЕЦИАЛЬНОСТЬ) ООП
201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ (СПЕЦИАЛИЗАЦИЯ, ПРОГРАММА)
Биотехнические и медицинские аппараты и системы
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ План ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 3 СЕМЕСТР 5
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 6
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б3.В3.3
КОРЕКВИЗИТЫ Б3.В1
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 45 час.
Практические занятия 18 час.
Лабораторные занятия 27 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 90 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 90 час.
ИТОГО 180 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ дифференцированный зачет
экзамен
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра промышленной и
медицинской электроники Института неразрушающего контроля
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ_____________( )
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП _______________ ()
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ______________ ()
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целью учебной дисциплины является:
в области обучения – формирование специальных знаний, умений, навыков расчета и проектирования, а также компетенций в сфере современных высокоэффективных биотехнических систем;
в области воспитания – научить эффективно работать индивидуально и в команде, проявлять умения и навыки, необходимые для профессионального, личностного развития;
в области развития – подготовка студентов к дальнейшему освоению новых профессиональных знаний и умений, самообучению, непрерывному профессиональному самосовершенствованию.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина Б3.Б11 «Узлы и элементы биотехнических систем» относится к базовой части профессионального цикла дисциплин. Пререквизитом данной дисциплины является Б3.В3.3 «Электроника», которая преподается в предыдущем семестре. Предварительно должны быть обязательно изучены такие дисциплины как Б3.В3.1 «Теоретические основы электротехники», Б2.В4.2 «Физические основы электронной техники». Параллельно может изучаться дисциплина Б3.В1 «Цифровые устройства».
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен/будет:
знать
- основные типы операционных усилителей, их характеристики и параметры;
- базовые элементы аналоговых устройств на ОУ;
- методы расчета электронных цепей с использованием операционных усилителей;
- физические и математические модели процессов и явлений, лежащих в основе принципов действия устройств аналоговой электронной техники.
уметь
- проводить анализ и расчет линейных схем с использованием операционных усилителей, а также анализ и расчет цепей с нелинейными элементами;
- использовать методы автоматизации схемотехнического проектирования электронных устройств на ОУ;
- обоснованно выбирать элементы схем электронных функциональных устройств;
владеть методами (приёмами)
- анализа статических и переходных режимов схем с операционными усилителями;
- расчета (проектирования) базовых электронных схем аналоговых функциональных преобразователей;
- практической работы с современными аппаратными средствами исследования биотехнических систем;
- экспериментального исследования характеристик аналоговых электронных устройств.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1.Универсальные (общекультурные) -
способность стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);
способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10).
2. Профессиональные -
способность владеть методами решения задач, анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);
способность собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);
готовность выполнять расчет и проектирование деталей, компонентов и узлов биотехнических систем, биомедицинской и экологической техники в соответствии с техническим заданием с использованием средств автоматизации проектирования (ПК-10);
способность выполнять эксперименты и интерпретировать результаты по проверке корректности и эффективности решений (ПК-19).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины:
Введение
Назначение дисциплины и ее место в общепрофессиональной подготовке дипломированного специалиста в области электроники. Понятие об интегральных технологиях.
Раздел 1. Понятие об операционном усилителе
Определение операционного усилителя (ОУ), функциональная схема ОУ. Обозначение микросхем ОУ. Схема включения, характеристики и параметры ОУ. Основные характеристики: амплитудная, амплитудно-частотная, фазо-частотная. Параметры ОУ: основные, эксплуатационные. Классификация ОУ. Способы коррекции характеристик и параметров ОУ.
Практические занятия
1.1 Особенности подключения и использования микросхем операционных усилителей.
Раздел 2. Линейные функциональные преобразователи
Масштабные усилители и сумматоры электрических сигналов. Дифференциальный усилитель. Электронные интеграторы и дифференциаторы, способы их коррекции и защиты. Активные фильтры.
Практические занятия
2.1 Расчет основных типовых схем включения ОУ, выбор типа ОУ и элементов схемы (масштабные усилители: инвертирующий и неинвертирующий);
2.2 Расчет типовых схем включения ОУ (инвертирующий и неинвертирующий сумматоры);
Лабораторные работы
Лабораторная №1. Исследование функциональных преобразователей аналоговых сигналов на основе операционных усилителей
Раздел 3. Нелинейные функциональные преобразователи
Логарифмические и антилогарифмические усилители. Принцип построения, действия. Погрешности логарифмирования, температурная коррекция логарифмических усилителей. Защита от возбуждения и перегрузки ОУ.
Ячейка «идеальный диод», принцип построения. Схема точного выпрямителя.
Кусочно-линейные аппроксиматоры нелинейных передаточных характеристик электронных преобразователей.
Практические занятия
3.1 Анализ и расчет схем логарифмических усилителей;
3.2 Анализ и расчет схем кусочно-линейных аппроксиматоров.
Лабораторные работы
Лабораторная №2. Исследование исследование характеристик и параметров логарифмических и антилогарифмических усилителей.
Раздел 4. Перемножители аналоговых сигналов
Общие принципы построения ПАС. ПАС косвенного и прямого действия. Применения перемножителей: операции деления, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня.
Раздел 5. Компараторы
Компараторы аналоговых сигналов: основные понятия, термины, классификация. Применение компараторов: детекторы уровня. Дребезг компараторов и борьба с ним.
Практические занятия
5.1 Анализ и расчет электронных схем с компараторами.
Раздел 6. Генераторы электрических сигналов
Основные положения теории генераторов. Классификация генераторов.
Генераторы гармонических колебаний на ОУ: принцип построения, особенности.
Генераторы импульсов на ОУ. Автоколебательный и ждущий мультивибраторы.
Генераторы импульсов на логических элементах: принцип построения, автоколебательный мультивибратор, ждущий мультивибратор.
Генераторы импульсов на микросхемах высокого уровня
Таймер 555, функциональная схема, принцип действия. Генераторы импульсов на таймерах. Автоколебательный и ждущий режимы работы.
Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) на ОУ: общие понятия, термины, схемотехника.
Практические занятия
6.1 Генераторы гармонических колебаний на ОУ: расчет, выбор элементов;
6.2 Генераторы импульсов на ОУ. Автоколебательный мультивибратор.
Лабораторные работы
Лабораторная №3. Автогенераторы гармонических колебаний.
Лабораторная №4. Импульсные устройства на операционном усилителе.
Лабораторная №5 (доп). Генераторы импульсов на таймерах.
Раздел 7. Источники стабильного напряжения и тока на ОУ
Основные принципы построения источников опорного напряжения с использованием ОУ. Схемотехника источников напряжения на ОУ.
Принцип построения источников стабильного тока на ОУ. Преобразователи напряжение-ток. Схемотехника источников тока.
Практические занятия
7.1 Источники напряжения и тока на ОУ: расчет, выбор элементов.
4.2 В таблице 1 приведена структура дисциплины по разделам и видам учебной деятельности с указанием временного ресурса в часах.
Таблица 1.
Структура дисциплины
по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Колл, Контр. Р. | Итого | ||
Лекции | Практ./сем. Занятия | Лаб. зан. | ||||
Введение | 1 | 0,5 | входн. контр. | 1,5 | ||
1. Понятие об операционном усилителе | 5 | 2 | 2,5 | 9,5 | ||
2. Линейные функциональные преобразователи | 10 | 4 | 8 | 15 | КР.1 | 37 |
3. Нелинейные функциональные преобразователи | 8 | 4 | 6 | 10 | КР.2 | 28 |
4. Перемножители аналоговых сигналов | 4 | 2 | 6 | |||
5. Компараторы | 2 | 2 | 15 | КР.3 | 19 | |
6. Генераторы электрических сигналов | 10 | 4 | 13 | 35 | КР.4 | 62 |
7. Источники стабильного напряжения и тока на ОУ | 5 | 2 | 10 | 17 | ||
Итого | 45 | 18 | 27 | 90 | 180 |
5. Образовательные технологии
Специфика сочетания методов и форм организации обучения отражается в матрице (см. табл. 2).
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ Сем., | Тр*., Мк** | СРС | КП |
IT-методы | ü | |||||
Работа в команде | ü | |||||
Case-study | ü | ü | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения | ü | |||||
Обучение на основе опыта | ü | |||||
Опережающая самостоятельная работа | ü | ü | ||||
Проектный метод | ü | |||||
Поисковый метод | ü | ü | ||||
Исследовательский метод | ü | |||||
Междисциплинарное обучение | ü |
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Приводится характеристика всех видов и форм самостоятельной работы студентов, включая текущую и творческую/исследовательскую деятельность студентов:
6.1 Текущая СРС, направленная на углубление и закрепление знаний
студента, развитие практических умений:
- работа с лекционным материалом;
- подготовка к лабораторным и практическим занятиям;
- обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса (рекомендуется в случае недостаточного усвоения материала, а также студентам, пропустившим аудиторные занятия по какой-либо теме);
- опережающая самостоятельная работа;
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку (используется для тем, не вошедших из-за недостатка времени в лекционный курс, но имеющих непосредственное отношение к данной дисциплине);
- подготовка к контрольным работам, экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР):
- поиск, анализ, структурирование информации,
- выполнение курсового проекта.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
1. Тематика курсовых проектов.
Разработаны 15 тем для курсового проектирования (примеры приведены ниже). По каждой теме имеется 5 вариантов заданий, что дает возможность каждому студенту выдать практически индивидуальный курсовой проект.
1) Формирователь спаренных однополярных импульсов с синхронизацией от внешнего синусоидального напряжения.
2) Формирователь синхронных разнополярных импульсов с запуском от синхроимпульса.
3) Формирователь импульсов, управляемый внешним сигналом пилообразной формы.
4) Формирователь серии импульсов в ответ на запускающий синхроимпульс.
5) Генератор прямоугольных импульсов, синхронизованный входным синусоидальным напряжением.
6) Генератор пилообразного напряжения, синхронизованный внешним управляющим напряжением.
7) Формирователь пачки импульсов следующих в каждый 10-ый период входного синусоидального напряжения.
8) Формирователь трапецеидальных импульсов.
9) Формирователь серии импульсов в ответ на запускающий синхроимпульс.
10) Формирователь двух импульсных последовательностей, следующих через регулируемый интервал времени.
2. Темы работ в структуре междисциплинарных проектов.
Все темы курсовых проектов являются междисциплинарными и охватывают содержание таких дисциплин как «Электроника», «Цифровые устройства».
3. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
- Операционные усилители с токовым входом.
- Модемы, принцип связи и кодирования информации.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. В частности, предусмотрена процедура защиты лабораторных работ, курсового проекта.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Указываются образовательные ресурсы, рекомендуемые для использования при самостоятельной работе студентов, том числе программное обеспечение, Internet - и Intranet-ресурсы (электронные учебники, компьютерные модели и др.), учебные и методические пособия, справочники, задачники и др.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
ПримерЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ
Билет №1
1. Принципы построения генераторов на ОУ, условия самовозбуждения.
2. Пассивные диодные функциональные преобразователи.
Билет №15
1. Дифференциальный усилитель на основе ОУ.
2. Перемножитель электрических сигналов на основе дифференциального каскада, условия правильной работы.
ЗАДАЧИ К ЭКЗАМЕНАЦИОННЫМ БИЛЕТАМ
| Дано: R1 = 10 кОм R2 = 20 кОм Rос = 100 кОм Rн = 10 кОм E1 = 0.1 В E2 = – 0.1 В Найти: Uвых, Iвых ОУ |
Вопросы к государственному экзамену
по дисциплине "Узлы и элементы биотехнических систем"
(примеры)
1. 
Получите уравнение амплитудной характеристики для приведённой схемы. Определите выходной ток операционного усилителя DA1, ток нагрузки для источника U2, а также напряжения на всех резисторах схемы.
2. Постройте схему неинвертирующего сумматора аналоговых сигналов на два входа с различными весовыми коэффициентами по каждому из входов. Предусмотрите возможность плавной регулировки коэффициента передачи по одному из каналов. Получите выражение для выходного напряжения.
3. Приведите схему ждущего мультивибратора на ОУ, временные диаграммы сигнала запуска, сигналов на выходе схемы и на времязадающем конденсаторе, получите формулу для расчета длительности формируемого импульса.
4. Для чего и каким образом вводится гистерезис в компаратор на ОУ?
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Качество освоения дисциплины оценивается согласно кредитно-рейтинговой системе организации учебного процесса в Институте неразрушающего контроля.
В течение семестра предусмотрены две конференц-недели (на 9 и 18 неделях). Первая конференц-неделя нацелена на развитие коммуникативной составляющей общекультурных компетенций, вторая – призвана подвести итоги по данной дисциплине в семестре (отчетная, контролирующая функции).
Рейтинг-план рассчитывается из 100 баллов на текущую успеваемость: 60 баллов выделяется на выполнение обязательных видов занятий (лабораторные работы, практические занятия); 40 баллов – на рубежный контроль (контрольные работы). Студент, выполнивший и защитивший курсовой проект, выполнивший обязательные пункты рейтинг-плана и набравший по итогам текущей успеваемости не менее 51 балла, допускается к экзамену.
Промежуточная аттестация (в конце семестра) предусматривает экзамен. Экзаменационный билет включает два теоретических вопроса и одну задачу. Оценка по результатам экзамена выставляется по 100-балльной и по 5-балльной системе.
Рейтинг-план дисциплины приведен в отдельном файле.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
· основная литература:
1. , Гусев и микропроцессорная техника: Учеб. для вузов. – 5-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 798с., ил.
2. Аналоговая и цифровая электроника: Полный курс: Учебник / , , ; Под ред. .– М.: Горячая Линия-Телеком, 2002.– 768 с.: ил.
3. Коломбет средства обработки аналоговых сигналов. – М.: Радио и связь, 1991. – 376с.
4. Фолкенберри операционных усилителей и линейных интегральных схем. – М.: Мир, 1985. – 572с.
5. Ерофеев устройства. М.: Высшая шк., 1989. – 527с.
6. Смолов преобразователи информации. – Л.: Энергоатомиздат, 1981. – 248с.
· дополнительная литература:
1. Гутников электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат. 1988.– 304с.
2. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. – М.: Мир, 1979. – 255с.
3. 200 избранных схем электроники. – М.: мир, 1985.– 350с.
4. Серов, Владимир Никитович. Аналоговые функциональные устройства на основе ОУ: Учебное пособие / .– М.: Изд-во МИРЭА, 1994.– 80 с.: ил.
5. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов / , .– М.: Горячая линия-Телеком, 2001.– 320 с.: ил.
6. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. . – М.: Радио и связь, 1990. – 496с.
7. Шило цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987.– 352с.
· программное обеспечение и Internet-ресурсы:
Специализированное программное обеспечение не требуется.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лаборатория электронных цепей и микроэлектроники (ауд. № 325, корпус 16-в ТПУ):
1. Осциллограф GOS-620 – 10 шт.
2. Генератор Г5-54 – 10 шт.
3. Генератор Г3-109 – 10 шт.
4. Вольтметр В7-26А – 10 шт.
5. Лабораторный блок питания – 10 шт.
6. Монтажная панель с набором модулей компонентов – 10 шт.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки 201000 БИОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ.
Программа одобрена на заседании
кафедры промышленной и медицинской электроники
Института неразрушающего контроля
(протокол от « 25 » 08 2011 г.).
Автор:
Рецензент(ы)
