НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ, ФИЗИКИ
Кафедра Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан РЭФ
“___ ”___________2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Электронные и микропроцессорные средства обработки первичной информации
По направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника»
Магистерская подготовка
Факультет РЭФ
Курс 1, семестр 1,2
Лекции 55 час.
Практические работы 37 час.
Лабораторные работы 0 час.
РГЗ 1 семестр
Самостоятельная работа 38
Зачет 1семестр, экзамен 2 семестр
Всего 130 час.
Новосибирск
2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для подготовки бакалавров техники и технологии по направлению 210100-«Электроника и микроэлектроника». Стандарт утвержден 10.03.03, регистрационный номер-21тех/бак.
Рабочая программа обсуждена и утверждена методическом семинаре кафедры ППиМЭ
22 сентября 2006 г., протокол №1.
Программу разработал
ст. преподаватель каф. ППиМЭ
Заведующий кафедрой ППиМЭ
д. т.н. профессор
Ответственный за основную
к. ф.-м. н. доц. каф. ППиМЭ
1. Внешние требования
Общие требования к образованности:
Курс входит в число дисциплин, включенных в программу подготовки магистра по направлению 210100.
Шифр дисциплины | Содержание учебной дисциплины | Часы |
Проектирование электронных устройств нормирования первичного сигнала с датчика. Сбор, цифровая обработка сигналов с использованием сигнальных процессоров и микроконтроллеров. | 130 |
550716 ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА СБОРА, ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Физические основы и технология изготовления электронных датчиков для промышленности, мониторинга окружающей Среды, биомедицины и т. д. Электронные и микропроцессорные устройства обработки первичной информации. Сигнальные процессоры и специализированные микроконтроллеры для сбора, обработки и передачи информации. Электронные приборы и устройства для хранения информации. Теория, конструирование и технология индикаторных приборов и устройств. Технические средства систем отображения информации. Способы и устройства ввода и редактирования данных. Принципы построения разветвленных систем сбора, обработки и отображения информации. Научно-исследовательская составляющая каждой из аннотированных магистерских программ по решению Ученого совета вуза реализуется через авторские магистерские программы (магистерские специализации), отражающие существующие в данном вузе научно-педагогические школы по конкретным разделам соответствующих наук.
2. Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.
Таблица 2
Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенность (принцип) | Содержание |
Основание для введения курса | Стандарт направления |
Адресат курса | Студенты специальностей: 550716 – Электронные приборы и устройства сбора, обработки и отображения информации. |
Главная цель | Обеспечение теоретической и практической подготовки в области построения электронных схем обработки и сбора первичной информации с использованием сигнальных процессоров и специализированных микроконтроллеров. |
Ядро курса | Проектирование электронных устройств нормирования первичного сигнала с датчика. Сбор, цифровая обработка сигналов с использованием сигнальных процессоров и микроконтроллеров. |
Требования к начальной подготовке, необходимые для успешного усвоения Вашего курса | Для успешного изучения дисциплины студенту необходимы знания, получаемые из курсов микросхемотехника, микроэлектроника и микропроцессорные системы. |
Уровень требований по сравнению с ГОС | Дисциплина установлена ученым советом вуза, поэтому её типовая программа отсутствует. |
Объём курса в часах | Лекции - 55 час, Практические занятия - 37 часов. |
Основные понятия курса | Датчик, нормирующий усилитель, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, цифровая обработка сигнала, микроконтроллер, сигнальный процессор. |
Направленность курса на развитие общепредметных, общеинтеллектуальных умений, обладающих свойством переноса | Анализ, синтез, моделирование, формулирование проблем. |
Обеспечение последующих дисциплин | Технические средства систем отображения информации. |
Практическая часть курса | Практическая часть дисциплины содержит практические занятия и расчетно-графические задания. Студенты применяют теоретические положения для расчета типовых электронных схем, программирования микроконтроллеров и сигнальных процессоров. |
Описание основных "точек" | В качестве промежуточного контроля - выполнение РГЗ и две контрольные работы. Итоговым контролем в первом семестре является зачет, а во втором - экзамен. |
Ваш курс и современные информационные технологии | В курсе при решении задач анализа и программирования систем сбора и обработки информации используются такие программные средства как OrCAD 10.2, Algorithm Builder, VisualDSP++3.5, MATLAB 6.5. |
3. Цели учебной дисциплины
Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.
Таблица 3
После изучения дисциплины студент будет
Номер цели | Содержание цели |
иметь представление | |
1 | О современных принципах построения электронных и микропроцессорных устройств обработки первичной информации. |
2 | О новейших средствах программирования микропроцессорных систем. |
3 | О современных методах описания дискретных систем. |
знать | |
4 | Понятийный аппарат (терминологию) дисциплины. |
5 | Структуру электронных и микропроцессорных устройств обработки первичной информации. |
6 | Основные типы электронных устройств обработки первичной информации. |
7 | Основные параметры электронных компонентов используемых в устройствах первичной обработки информации. |
8 | Основные виды преобразования аналоговых сигналов в цифровые. |
9 | Основные методы обработки цифровых сигналов. |
уметь | |
10 | Использовать современную элементную базу при решении конкретных задач по обработке первичной информации. |
11 | Применять типовые структурные схемы для новых проектных решений. |
12 | Использовать известные алгоритмы ЦОС для решения конкретных задач по обработке первичной информации. |
иметь опыт | |
13 | В написании программ для решения различных задач по обработке первичной информации с использованием микроконтроллеров и сигнальных процессоров. |
14 | Использования электронных и микропроцессорных устройств для решения конкретных задач по обработке первичной информации. |
15 | Разработки программ, реализующих алгоритмы ЦОС. |
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра, в котором организуется обучение по данной дисциплине.
Таблица 4
Темы лекционных занятий | Часы | Ссылки на цели |
Семестр №1 | ||
Классификация датчиков. Цепи нормирования сигнала. Интеллектуальные сенсоры. | 2 | 1, 4, 6 |
Основные конфигурации мостов. Линеаризация выходных сигналов мостов. Особенности использования мостовых схем для удаленных датчиков. | 2 | 1, 4 |
Основные характеристики прецизионных операционных усилителей. Входное напряжение смещения. Измерение напряжения смещения. Температурный и временной дрейф напряжения смещения в операционных усилителях. Схемы коррекции напряжения смещения. Усилители, стабилизированные прерыванием. | 4 | 4, 5, 6, 7 |
Входной ток операционного усилителя и его вклад в ошибку смещения. Входной ток смещения. | 2 | 4, 7 |
Полоса пропускания операционного усилителя. | 2 | 1, 6, 7 |
Нелинейность и конечная величина разомкнутого коэффициента передачи по постоянному току и его влияние на величину ошибки нормируемого сигнала. | 2 | 4, 7 |
Шумы операционного усилителя. Шумовое напряжение, шумовой ток, тепловой шум резисторов. Влияние величины импеданса источника сигнала на шумы операционного усилителя. | 2 | 4, 7 |
Ослабление синфазного сигнала и влияния изменения напряжения источника питания. Развязка операционных усилителей на низких и высоких частотах. | 2 | 4, 7 |
Операционные усилители с однополярным питанием и особенности их применения. | 2 | 4, 7 |
Типовые схемы инструментальных усилителей. Основные характеристики инструментальных усилителей. Источники ошибок инструментального усилителя по постоянному току. Шумы инструментального усилителя. Инструментальные усилители с однополярным питанием. | 2 | 1, 4, 5, 6, 7 |
Изолирующие усилители в схемах нормирования сигнала. | 2 | 1, 4, 5, 6, 7 |
Практические примеры цепей нормирования сигнала с измерительных мостов. | 2 | 1, 5, 10, 11 |
Основные параметры цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Последовательные ЦАП: ЦАП с широтно-импульсной модуляцией, ЦАП на переключаемых конденсаторах. Параллельные ЦАП: ЦАП с суммированием токов, ЦАП с суммированием напряжений. Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей. Применение ЦАП в цепях нормирования сигнала: перемножители и делители функций, аттенюаторы и интеграторы, прямой цифровой синтез сигналов. | 3 | 1, 4, 6, 8 |
Аналого-цифровые преобразователи для нормирования сигналов. Основные параметры аналого-цифровых преобразователей. Параллельные АЦП. Параллельно-последовательные АЦП: многоступенчатые АЦП, многотактные параллельно-последовательные АЦП, конвейерные АЦП. Последовательные АЦП: АЦП последовательного счета, АЦП последовательного приближения. Интегрирующие АЦП. Сигма-дельта АЦП. Интерфейсы АЦП: АЦП с последовательным интерфейсом, АЦП с параллельным интерфейсом. Законченные системы сбора данных на одном кристалле. | 4 | 1, 4, 6, 8 |
Семестр №2 | ||
Методы конструирования аппаратуры. Выполнение заземления в схемах со смешанными сигналами. Уменьшение шума источника питания и фильтрация. Экранирование сигнальных цепей. Защита от перегрузки по напряжению. | 4 | 1, 4, 10 |
Цифровая обработка сигналов (ЦОС). Сопоставление аналоговых и дискретных методов обработки сигналов. Функциональная схема ЦОС. | 2 | 3, 5 |
Дискретизация и квантование сигналов. Теорема отсчетов. Квантование аналоговых и дискретных сигналов. Разностные уравнения для описания дискретных схем. | 4 | 3, 9 |
Прямое и обратное z-преобразование. Свойства z-преобразования. Применение z-преобразования в задачах ЦОС. | 2 | 3, 9 |
Цифровые фильтры (ЦФ). Классификация ЦФ. Временные и частотные характеристики ЦФ. Нерекурсивная и рекурсивная фильтрация. Обзор основных типов фильтров. | 2 | 3, 9 |
Синтез ЦФ. Синтез НЧ ИВЧ фильтров по заданным критериям. Ошибки квантования в ЦФ. | 2 | 3, 9, 12 |
Дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Алгоритмы ДПФ. Свертки сигналов и свойства свертки. Быстрое преобразование Фурье. Области применения ДПФ. | 2 | 3, 9, 12 |
Базовая архитектура и основные характеристики DSP. Системный интерфейс. Структура памяти и интерфейс с памятью. Архитектура арифметико-логических устройств DSP. Управление программой. Передача данных. Структура и режимы работы SPORT. Архитектура и работа таймеров. Средства разработчика программного обеспечения для DSP. | 4 | 1, 4, 5 |
Описание практических занятий размещается в табл. 5 с указанием семестра, в котором организуется обучение по дисциплине.
Таблица 5
Темы практических занятий | Учебная деятельность | Часы | Ссылки на цели |
Семестр №1 | |||
Изучение практических схем и расчет основных параметров нормирующих усилителей для различных типов источников сигнала. | Рассматриваются различные типовые схемы нормирующих усилителей, и производится расчет основных параметров усилителей в OrCAD Capture CIS 10.2. | 8 | 1, 5, 6, 7 |
Проектирование нормирующих устройств с использованием аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Программирование взаимодействия микроконтроллеров с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями через параллельный и последовательный интерфейс. | Изучаются основные виды интерфейса аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. В Algorithm Builder разрабатывается и отлаживается на симуляторе программа обмена данными между микроконтроллером и аналого-цифровым преобразователем. | 6 | 1, 2, 4, 5, 6 |
Семестр №2 | |||
Проектирование печатной платы нормирующего устройства. | Для заданной схемы нормирующего устройства разрабатывается печатная плата с использованием системы проектирования OrCAD Layout 10.2. | 5 | 5, 6, 10, 14 |
Расчет параметров цифровых фильтров. | По заданным характеристикам производится расчет параметров цифровых фильтров в MATLAB 6.5. | 4 | 3, 4, 9, 12 |
Разработка и отладка программы цифровой фильтрации данных на микроконтроллерах и сигнальных процессорах. | В Algorithm Builder и Analog Devices DSP++ разрабатываются и отлаживаются в симуляторе программы цифрового фильтра с заданными параметрами. | 8 | 3, 4, 9, 12, 13, 15 |
Разработка и отладка программы быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени и частоте. | В Algorithm Builder и Analog Devices DSP++ разрабатываются и отлаживаются в симуляторе программы быстрого преобразования Фурье с прореживанием по времени и частоте. | 6 | 3, 4, 9, 12, 13, 15 |
5. Учебная деятельность
Учебная деятельность включает в себя посещение лекций и практических занятий, а также выполнение и защита расчетно-графического задания. В рамках работы над расчетно-графическим заданием студенту необходимо разработать и рассчитать схему канала ввода аналоговой информации с заданными параметрами. Задание выдается каждому студенту индивидуально. Расчетно-графическое задание оформляется в виде пояснительной записки, которая включает в себя титульный лист, исходное задание, листинг программы и комментарии. Образец оформления титульного листа расчетно-графического задания приводится в приложении.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Для промежуточного контроля степени усвоения лекционного материала студенты должны выполнить две контрольные работы. Вопросы вынесенные для промежуточного контроля знаний приводятся в разделе "Контролирующие материалы". Окончательная оценка знаний студентов проводится с помощью зачета в первом семестре и экзамена во втором. Для допуска к зачету и экзамену студент расчено-графическое задание. Зачет и экзамен проводится в устной форме по билетам, содержащим два вопроса по лекционному курсу для студентов получившим положительные оценки за контрольные работы и три вопроса для тех, кто не справился с контрольной работой. Образец билета для зачета приведен в приложении.
7. Список литературы
Основной список
Евстифеев AVR семейств Tiny и Mega фирмы «ATMEL». - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2004. - 560 с. (В электронном виде.) Руководство по микроконтроллерам. Перевод с англ. и Пружанского : Постмаркет, 2001. - 416 с. (В электронном виде.) Микроконтроллеры? Это же очень просто. 2 тома. - Издательство: ИД Скимен, 2002, т.1, - 336 с., т.2, - 386 с. (В электронном виде.) – 2 экз. Гребнев семейств AVR фирмы Atmel. - Москва: ЭКОМ, 2002. - 174 с. (В электронном виде.) , , Яковлев и процессоры цифровой обработки сигналов. Учебное пособие. - СПб.:БХВ-Петербург, 2002. - 420 с. (В электронном виде.) – 1 экз. и др. Основы цифровой обработки сигналов. Курс лекций. - BHV-СПб., 2003. - 608 с. 1. (В электронном виде.) Сергиенко обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2003. - 470 с. (В электронном виде.) – 6 экз. Ленк Дж. 500 практических схем на популярных ИС. Пер. с англ. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с. (В электронном виде.) – 1 экз. Прянишников . Курс лекций. - 2-е изд. Исп. И доп. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. 416 с. – 1 экз. Волович аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств.- М.: Издательский дом «Додэка ХХI»,2005,-528с.Дополнительный список
Цифровые сигнальные процессоры. Книга 1. - М.: МИКРОАРТ,1996. - 144 с. , Матюшкин обработка сигналов. - СПб.:Политехника, 1998. - 360 с. Угрюмов схемотехника. - БХВ - Санкт-Петербург, 2000. - 528 с. (В электронном виде.) Искусство схемотехники. В 3-х томах: - 4-е издание перераб. и доп.- М.: Мир, 1993. - 413 с. (В электронном виде.) Уитсон Дж. 500 практических схем на ИС. Пер. с англ. - М.:Мир, 1992. - 376 с. (В электронном виде.)8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине
Задание для контрольной работы №1.
Рассчитать основные параметры нормирующего усилителя мостового тензорезистивного датчика давления. При расчете использовать паспортные данные заданного операционного усилителя.
Задание для контрольной работы №2.
Рассчитать коэффициенты цифрового фильтра с конечной и бесконечной импульсной характеристикой. Разработать подпрограмму реализации полученного фильтра для микроконтроллера.
1. Темы для подготовки к зачету.
1. Линеаризация мостов.
2. Управление мостами.
3. Усилители для нормирования сигналов и их основные характеристики.
4. Операционные усилители (ОУ). Входное напряжение смещения и входной ток.
5. Шум операционного усилителя.
6. Ослабление синфазного сигнала и влияния источника питания ОУ.
7. Инструментальные усилители.
8. Усилители, стабилизированные прерыванием.
9. Термопары и компенсация температуры холодного спая.
10. Параллельные АЦП.
11. Многоступенчатые и многотактные АЦП.
12. АЦП последовательного счета.
13. АЦП последовательного приближения.
14. Интегрирующие АЦП.
15. Сигма - дельта АЦП.
16. Интерфейсы АЦП.
17. ЦАП на основе ШИМ.
18. ЦАП на переключаемых конденсаторах.
19. ЦАП на основе суммирования токов.
20. ЦАП на основе суммирования напряжений.
21. Мостовые схемы, конфигурации мостов.
Темы для подготовки к экзамену.
1. Шины заземления и питания в цифровых и аналоговых схемах. Двухсторонние и многослойные печатные платы. Многоплатные системы со смешанными сигналами. Разделение аналоговой и цифровой земли. Выполнение заземления и развязки в интегральных схемах со смешанными сигналами.
2. Фильтрация сетевых линий переменного тока.
3. Защита от радиочастотных помех.
4. Помехи: экранирование и заземление. Общие точки в кабелях и экранах.
5. Изоляция цифровых и аналоговых сигналов.
6. Защита от перегрузок по напряжению.
7. Обобщенная схема ЦОС. Типовые дискретные сигналы. Нормирование времени и частоты.
8. Математическое описание аналоговых сигналов и линейных систем. Преобразование Фурье. Z-преобразование. Основные свойства z-преобразования. Z-преобразование типовых дискретных сигналов. Обратное z - преобразование.
9. Дискретные системы. Описание дискретных линейных систем. Свойства линейной дискретной системы. Импульсная характеристика ЛДС. Формула свертки. Разностное уравнение. Рекурсивные и нерекурсивные ЛДС. Системы с конечной и бесконечной импульсной характеристикой. Оценка устойчивости.
10. Передаточная функция. Нули и полюсы передаточной функции. Взаимосвязь между передаточной функцией и разностным уравнением. Критерий устойчивости ПФ. 11. Цифровые фильтры. Структурная схема фильтра.
11. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Алгоритмы ДПФ. Свертки сигналов и свойства свертки.
12. Быстрое преобразование Фурье. Области применения ДПФ.
13. Базовая архитектура и основные характеристики DSP. Системный интерфейс.
14. Структура памяти и интерфейс с памятью DSP.
15. Архитектура арифметико-логических устройств DSP.
16. Управление программой.
17. Передача данных. Структура и режимы работы SPORT.
18. Архитектура и режимы работы таймеров.
9. Приложение
Образец титульного листа для расчетно-графического задания
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Полупроводниковых Приборов и Микроэлектроники
Задание на проект № 1
Студент Код Группа____________
1. Тема Применение микроконтроллеров в системах измерения и сбора данных.
2. Срок предоставления проекта к защите - 26 мая 2006 г.
3. Исходные данные для проектирования:
Спроектировать систему измерения напряжения и передачи данных в ЭВМ.
1. Диапазон и тип напряжения: от 0мВ до 100мВ, переменное.
2. Количество каналов измерения: 4 канала.
3. Тип связи с ЭВМ: последовательный (COM port).
4. Использовать основные микросхемы: AT90S2313, AD7940.
4. Содержание пояснительной записки проекта:
1. Краткие паспортные данные микросхем.
2. Схема электрическая принципиальная.
3. Программа для микроконтроллера.
4. Комментарии к программе.
Руководитель проекта _______________________ ст. пр.
Задание принял к исполнению __________________”____”___________2006г.
Образец билета для зачета.
1. Универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART/UART. 2. Архитектура ядра процессора. Составили: Утверждаю: Зав. кафедрой ___________________ проф. |
