УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИНК
___________
«____»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
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 2 СЕМЕСТР 3
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ 6
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Б2.Б4.2, Б2.Б3, Б3.В3.1
КОРЕКВИЗИТЫ Б2.В4.2
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции 36 час.
Практические занятия 18 час.
Лабораторные занятия 18 час.
час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 72 час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 72 час.
ИТОГО 144 час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ 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 анализа и расчета, 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 относится к вариативной части профессионального цикла дисциплин подготовки бакалавра, освоение которой служит основой для последующего изучения таких дисциплин как «Электроника», «Узлы и элементы биотехнических систем», «Биотехнические и медицинские аппараты и системы».
Пререквизитами являются дисциплины: Б2.Б4.2 «Физика-2», Б2.Б3 «Математика», Б3.В3.1 «Теоретические основы электротехники». Для успешного освоения дисциплины студенты должны иметь первичные навыки работы с контрольно-измерительной аппаратурой, свободно использовать простейшие методы расчета электрических цепей, знать математические модели активных и пассивных компонентов электрической цепи.
Параллельно может изучаться дисциплина Б2.В4.2 «Сцецглавы физики. Физические основы электронной техники».
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать:
– физические и математические модели компонентов, входящих в пассивные электрические цепи;
– основные методы анализа и расчета электрических цепей;
– основные типы электрических цепей, используемых в электронике;
– основные характеристики и параметры базовых электрических цепей;
– методы проведения измерений и экспериментальных исследований в электрических цепях;
уметь:
– проводить анализ установившихся и переходных режимов линейных электрических цепей;
– произвести расчет (проектирование) базовых электрических цепей различного назначения;
– выполнять экспериментальное исследование электрических цепей;
– работать с современной измерительной аппаратурой;
владеть методами (приемами):
– анализа, расчета (проектирования) базовых электрических цепей, используемых в электронике;
– профессиональной работы с современной измерительной аппаратурой;
– экспериментального исследования характеристик электрических цепей, электронных приборов и устройств.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции:
1. Универсальные (общекультурные):
- способностью стремиться к саморазвитию, повышению своей квалификации и мастерства (ОК-6);
- способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
- способность логического мышления.
2. Профессиональные:
- способностью владеть методами решения задач анализа и расчета характеристик электрических цепей (ПК-4);
- способностью владеть основными приемами обработки и представления экспериментальных данных (ПК-5);
- готовностью к участию в проведении медико-биологических, экологических и научно-технических исследований с применением технических средств, информационных технологий и методов обработки результатов (ПК-20).
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Общие сведения
Место дисциплины в системе подготовки бакалавра по направлению «Биотехнические системы и технологии». Классификация электрических цепей. Понятие информации и электрического сигнала. Основные виды электрических сигналов, используемых в электронике: математическое описание, графическое изображение, спектральная форма представления, параметры.
Практические занятия
1.1 Расчет среднего и действующего значений сигнала.
1.2 Математические модели базовых элементов электрических цепей: активного сопротивления, емкости, индуктивности и их основные свойства. Построение волновых диаграмм.
Лабораторные работы
№1 Освоение лабораторного оборудования.
Раздел 2. Частотный анализ простейших электрических цепей с одним реактивным элементом
Общие сведения о частотном анализе электрических цепей.
Понятие четырехполюсника. Основные частотные параметры и характеристики четырехполюсника как нагрузки, как генератора и как средства передачи сигналов. Годограф.
Частотный анализ и области применения RC-цепи, начинающейся с резистора.
Физический анализ, математический анализ. Входные и передаточные частотные характеристики. Граничная частота (среза), полоса пропускания, подавления. Годограф. Векторные диаграммы. Применение RC-цепи в качестве: а) фильтра нижних частот; б) фазосдвигающей; в) помехоподавляющей; г) интегрирующей (квазиинтегрирующей).
Частотный анализ и области применения RC-цепи, начинающейся с конденсатора.
Физический анализ, математический анализ. Входные и передаточные частотные характеристики и параметры. Годограф. Векторные диаграммы. Применение RC-цепи в качестве: а) фильтра верхних частот; б) фазосдвигающей; в) дифференцирующей (квазидифференцирующей); г) разделительной.
Практические занятия
2.1 Анализ электрических цепей в частотной области. Физический, математический анализ, построение частотных характеристик и векторных диаграмм.
Раздел 3. Частотный анализ разветвленных электрических цепей с несколькими реактивными элементами одного характера.
Фазирующие цепи.
Понятие фазирующей цепи. 3-х-звенные фазирующие цепи R-параллель, C-параллель. Принцип действия, анализ, характеристики и параметры. Области применения фазирующих цепей.
Неискажающие цепи.
Определение неискажающей цепи. Резистивный делитель. Частотно-компенсированный делитель: принцип действия, анализ, характеристики и параметры, рекомендации по проектированию и применению.
Частотно-избирательные цепи нерезонансного характера.
Полосовой фильтр. Режекторные фильтры: мост Вина-Робинсона, двойной Т-образный мост. Анализ, характеристики и параметры, области применения.
Резонансные частотно-избирательные цепи на основе колебательных контуров.
Последовательный колебательный контур. Резонанс напряжений. Параллельный колебательный контур. Резонанс токов. Основные характеристики и параметры. Понятие частотной избирательности. Добротность контура.
Практические занятия
3.1 Проектирование пассивных электрических цепей.
Лабораторные работы
№2 Исследование пассивных RC-цепей в частотной области.
№3 Исследование последовательного и параллельного колебательного контуров.
Раздел 4. Прохождение последовательности прямоугольных импульсов через электрические цепи различного назначения.
Основные сведения об электрических импульсах.
Определение электрического импульса. Формы представления импульсных сигналов. Классификация. Серии и последовательности импульсов. Параметры электрических импульсов: основные, производные, дополнительные.
Разделительные цепи при импульсном воздействии.
Общие положения. Прохождение идеального одиночного прямоугольного импульса через разделительную RC-цепь. Спад вершины импульса, коэффициент спада. Прохождение последовательности прямоугольных импульсов через разделительную RC-цепь. Использование RL-цепи в качестве разделительной.
Интегрирующая RC-цепь при импульсном воздействии.
Интегрирование одиночного прямоугольного импульса, последовательности импульсов. Принцип действия, основные расчетные соотношения. Погрешности интегрирования, методы снижения погрешностей. Особенности применения.
Укорачивающие цепи.
Общие положения. Прохождение последовательности идеальных прямоугольных импульсов через укорачивающую RC-цепь. Принцип действия, основные расчетные соотношения. RL-цепь в качестве укорачивающей.
Частотно-компенсированный делитель при импульсном воздействии.
Прохождение последовательности идеальных прямоугольных импульсов через частотно-компенсированный делитель.
Практические занятия
4.1 Анализ электрических цепей во временной области. Расчет переходных процессов в цепях 1-го порядка.
Лабораторные работы
№4 Прохождение последовательности прямоугольных импульсов через электрические цепи различного назначения.
4.2 Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы | Аудиторная работа (час) | СРС (час) | Колл, контр. работы | Итого | ||
Лекц. | Практич. занятия | Лабор. занятия | ||||
1. Общие сведения | 4 | 6 | 4 | 10 | входн. контр., КР-1 | 24 |
2. Частотный анализ простейших электрических цепей с одним реактивным элементом. | 12 | 6 | - | 18 | КР-2 | 36 |
3. Частотный анализ разветвленных электрических цепей с несколькими реактивными элементами одного характера. | 10 | 4 | 8 | 28 | ИДЗ-1, КР-3, КР-4 | 50 |
4. Прохождение последовательности прямоугольных импульсов через электрические цепи различного назначения. | 10 | 2 | 6 | 16 | ИДЗ-2 | 34 |
Итого | 36 | 18 | 18 | 72 | 144 |
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3.
Таблица 1.
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№ | Формируемые компетенции | Разделы дисциплины | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | ||||||
1. | З.4.1 | + | + | + | + | ||||
2. | З.4.3 | + | + | + | + | ||||
3. | У.1.1 | + | + | + | + | ||||
4. | У.1.2 | - | + | + | + | ||||
5. | У.2.1 | - | + | + | + | ||||
6. | У.4.1 | - | + | + | + | ||||
7. | В.1.2 | - | + | + | + |
5. Образовательные технологии
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. работы | Практ. занятия | Тр*., Мк** | СРС | Курс. раб. |
IT-методы | + | |||||
Работа в команде | + | |||||
Case-study | + | + | ||||
Игра | ||||||
Методы проблемного обучения. | + | |||||
Обучение на основе опыта | + | |||||
Опережающая самостоятельная работа | + | |||||
Проектный метод | ||||||
Поисковый метод | + | |||||
Исследовательский метод | + | |||||
Контекстный метод | + |
* - 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;
- выполнение домашних заданий, индивидуальных домашних заданий, домашних контрольных работ;
- изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
- подготовка к лабораторным работам;
- подготовка к практическим занятиям;
- опережающая самостоятельная работа;
- подготовка к контрольным работам;
- подготовка к защите индивидуального домашнего задания;
- подготовка к защите лабораторной работы;
- подготовка к экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа (ТСР), ориентированная на развитие интеллектуальных умений, комплекса универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций, повышение творческого потенциала студентов:
- поиск, анализ, структурирование информации;
- выполнение расчетно-графической части индивидуального задания;
- участие в кафедральном, университетском, региональном и федеральном этапах Всероссийской студенческой олимпиады по электронике.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
- Индивидуальное домашнее задание №1 «Частотный анализ пассивной электрической цепи»;
- Индивидуальное домашнее задание №2 «Расчет переходных процессов в электрической цепи постоянного тока первого порядка»
На самостоятельную проработку вынесены следующие темы:
- Прохождение последовательности идеальных прямоугольных импульсов через частотно-компенсированный делитель.
- Физический анализ RC-цепи, начинающейся с конденсатора.
- Физический анализ фазирующей цепи.
6.3 Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей.
Контроль самостоятельной работы осуществляется посредством защиты индивидуальных домашних заданий и отчетов по выполненным лабораторным работам, подготовки ответов на контрольные вопросы к лабораторным работам.
6.4 Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
Перечень необходимого учебно-методического обеспечения самостоятельной работы студентов приведен в разделе 9.
7. Средства (ФОС) текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Вопросы для проверки текущей успеваемости
Примеры контрольных вопросов к лабораторным работам
1. Приведите RC- и RL-цепи, являющиеся фильтрами верхних и нижних частот. Докажите свое утверждение. Какими свойствами цепи с конденсаторами отличаются от цепей с индуктивностями?
2. Укорачивающая цепь RC-цепь. Определение, назначение, области применения, сфазированные диаграммы работы.
3. Объясните с физической точки зрения, почему RC-цепь, начинающаяся с конденсатора, может выполнять функции разделительной?
4. Физический анализ последовательного колебательного контура для случая, когда выходной сигнал снимается (по указанию преподавателя): а) с внешнего резистора; б) с конденсатора; в) с катушки индуктивности.
5. Частотно-избирательные свойства параллельного колебательного контура. Сравнение последовательного и параллельного колебательных контуров как частотно-избирательных цепей.
Темы индивидуальных домашних заданий (ИДЗ)
ИДЗ №1 «Частотный анализ пассивной электрической цепи»
Физический («качественный») анализ цепи. Построение приближенных входных и передаточных частотных характеристик. Получение аналитических зависимостей для входных и передаточных частотных характеристик. Проверка полученных выражений на предельных частотах, сравнение с результатами физического анализа. Определение характерных (в зависимости от типа схемы) параметров: максимального и граничного коэффициентов передачи, граничной(ых) или квазирезонансной частот, полосы пропускания и подавления.
ИДЗ №2 «Расчет переходных процессов в электрической цепи постоянного тока первого порядка»
Используя классический метод, рассчитать переходные процессы в схеме, если при t < 0 ключ К разомкнут, при t = 0 ключ замыкается на время t0, затем снова размыкается. Определить падения напряжения на всех резисторах схемы.
Примеры заданий для контрольных работ
1. Получить выражение для резонансной частоты параллельного колебательного контура.
2. Рассчитать последовательный колебательный контур, резонансная частота которого составляла бы 10кГц, волновое сопротивление 
ом, а добротность была бы не менее 100.
3. На вход RC – цепи, начинающейся с емкости, поступает последовательность прямоугольных импульсов с параметрами: Um = 5 В; tИ = 100 мкс; Т = 300 мкс. Определить характер цепи и нарисовать диаграмму выходного напряжения, если R = 2 кОм; С = 1000 pF.
4. Спроектировать фазирующую цепь, обеспечивающую на квазирезонансной частоте 
, если: RГ = 10 Ом; RН = 80 кОм; f0 = 10 кГц.
5. Спроектировать неискажающую цепь, если: UВХ = 2 кВ; UВЫХ = 12 В; RГ = 50 Ом; RН = 200 кОм.
6. Определить граничные частоты wН, wВ, частоту квазирезонанса w0 и полосу пропускания полосового фильтра, построенного на элементах с параметрами: С = 2.2 nF; R = 1.8 кОм.
Примеры экзаменационных билетов (промежуточный контроль)
Билет №2
1. Спроектировать фильтр верхних частот, если: RГ = 100 Ом; RН = 500 кОм; fГР = 2.7 кГц; СН ПАР = 40 pF.
2. Построить из физических соображений частотные характеристики цепи.
3. Емкость переменного конденсатора 
меняется в пределах от 
пФ до 
пФ. Контур, имеющий полосу пропускания
Dfк = 10 кГц, перестраивается при этом в диапазоне частот от 
МГц до 
МГц. Определить конструктивные параметры контура R, L и С.
4. Передаточные частотные характеристики для токов параллельного колебательного контура. Границы применимости частотно-избирательных цепей на базе колебательных контуров.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Попов, Вадим Петрович Основы теории цепей : учебник для бакалавров / ; Южный федеральный университет (ЮФУ). — 7-е изд., перераб. и доп.— Москва: Юрайт, 2013. — 697 с.: ил. + CD-ROM. — Бакалавр. Базовый курс. — Библиогр.: с. 695-696.. — ISBN 978-5-9916-2000-0.
2. Бакалов, Валерий Пантелеевич Основы теории цепей : учебное пособие для вузов / , , . — 4-е изд.— Москва: Горячая линия-Телеком, 2013. — 596 с.: ил.— Учебное пособие для высших учебных заведений. Специальность. — Предм. указ.: с. 585-590. — Библиография: с. 591.. — ISBN 978-5-9912-0329-6.
3. Гребенников, Виталий Владимирович Методы и средства экспериментального исследования электрических цепей и сигналов [Электронный ресурс] : учебное пособие / , ; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ), Институт неразрушающего контроля (ИНК), Кафедра промышленной и медицинской электроники (ПМЭ). — 1 компьютерный файл (pdf; 5.0 MB). — Томск: Изд-во ТПУ, 2013. — Заглавие с титульного экрана. — Электронная версия печатной публикации. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe Reader..
Схема доступа: http://www. lib. tpu. ru/fulltext2/m/2014/m098.pdf
4. Бакалов, теории цепей: Учебное пособие для вузов / , , . — Москва: Горячая линия–Телеком, 2013. — 596 с.— Доступ только с авторизованных компьютеров.. — ISBN 978-5-9912-0329-6.
Схема доступа: http://ibooks. ru/reading. php? short=1&isbn=978-5-9912-0329-6
Дополнительная литература:
1. Яцкевич линейных электрических цепей. Справочное пособие. М.: Высш. школа, 1990.– 264 с.
2. , Карпов радиотехнических цепей. 2-е изд., перераб. и доп.– Л., «Энергия», 1972.– 816 с.: ил.
3. , Попов устройства: учебное пособие.– 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Советское радио, 1980.– 367 с.
4. Гольденберг устройства: учебное пособие.– М.: Радио и связь, 1981.– 222 с.
· программное обеспечение и Intеrnet-ресурсы:
http://portal. tpu. ru/SHARED/g/GREBENNIKOVVV - персональный сайт преподавателя
- программный математический комплекс Mathcad.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Лабораторные работы выполняются в специализированной лаборатории кафедры промышленной и медицинской электроники – ауд. № 000 корпуса 16-в ТПУ общей площадью 76,5 кв. м. Помещение оборудовано 9-ю рабочими местами, в состав каждого из которых входит:
– лабораторный стол;
– двухканальный осциллограф GOS620;
– генератор синусоидального сигнала Г3-109;
– генератор прямоугольного сигнала Г5-54;
– универсальный цифровой вольтметр В7-22А;
– универсальный источник питания;
– универсальное наборное поле;
– наборы соединительных проводников и модулей с расположенными на них различными радиоэлектронными компонентами.
Лекции читаются с использованием мультимедийного оборудования. В распоряжении студентов находятся компьютерные классы кафедры ПМЭ.
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 неразрушаюшего контроля ТПУ
(протокол от «25» августа 2011 г.).
Автор:
Рецензент
